第七章 核磁共振波谱分析_PPT课件

h
磁性核
h =ΔE
高能级 低能级
处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高 能态，这种现象叫做核磁共振现象。
m h 2
I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频 的频率，即共振频率。
1 22 h 代入 2hB 0得
0 2
产生核磁共振光谱的条件
（1）对自旋量子数I=1/2的同一核来说, 因核磁矩为一定值，（核磁比）—为常 数，所以发生共振时，照射频率的大小 取决于外磁场强度的大小。外磁场强度 增加时，为使核发生共振，照射频率也 相应增加；反之，则减小。
每种取向各对应一定能量状态
I=1/2的氢核只有两种取向
I=1的核在B0中有三种取向
z
z
z
m =+1
m =
B0
m = +1/2
m =
m =
m =
m = 1/2
m = 1
m = 1 m = 2
I = 1/2
I=1
I=2
I=1/2的氢核 与外磁场平行，能量较低，m=+1/2, E 1/2= －B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=B0
核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量 子数 I 的关系如下:
p 2 h I(I 1 )
I可0 ， 以 1 ， 1 ， 3 ， 2 为 等值 22
代入上式得: 2h I(I1) （ = P）
当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原 子核才有自旋角动量和自旋现象
实践证明,核的自旋量子数 I与核的 质量数,质子数和中子数有关
例：外磁场B0=4.69T（特斯拉，法定计量单位） 1H 的共振频率为
2 H 02.源自文库 812 80 3 1 .s11 44.6 9
2.00185 0 s120 .10 M 5 H(1 zs11H)z
放在外磁场 B0=2.35T =100MHz
(2)对自旋量子数I=1/2的不同核来说，若同时 放入一固定磁场中，共振频率取决于核本身 磁矩的大小, 磁旋比大的核，发生共振所需的 照射频率也大；反之，则小。例：13C的共振 频率为:
它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜 检测,目前研究和应用较多的是1H和13C 核磁共振谱
二、核自旋能级和核磁共振
(一)核自旋能级
把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 与 磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取 向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示
m=I, I-1, I-2, ……-I
△E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能 级分裂越大, △E越大
B0外加磁场
m= -1/2 E2= B0 无磁场
△E=2 B0
m= +1/2 E1= －B0
(二)核磁共振
如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中 的核，且射频频率恰好满足下列关系时：
h =ΔE ΔE=2 B0
20
（核磁共振条件式） 自旋核的跃迁能量
若以合适的射频照射处于磁场的核,核吸 收能量后,由低能态跃迁到高能态,其净效 应是吸收,产生共振信号.
若高能态核不能通过有效途径释放能量 回到低能态,低能态的核数越来越少,一定 时间后,N(-1/2)=N(+1/2),这时不再吸收,核 磁共振信号消失,这种现象为“饱和”
超导傅立叶数字化核磁共 振仪300MHz（156w）
将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的 电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级 跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振
利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定 量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR
在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共 振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用
2c 0 6.73120 7 3 1.s1144.6 9
5.02610 7s15.026 MHz
H0 2.681081s14.69
2
23.14
2.0 0 11508s1 2 0.105M Hz
1H的天然丰度为99.98%，13C的天然丰度为1.11%
三、核自旋能级分布和驰豫
(一)核自旋能级分布
1H核在磁场作用下,被分裂为m=+1/2和m=-1/2 两个能级,处在低能态核和处于高能态核的分 布服从波尔兹曼分布定律
h
Pz为自旋角动量在Z轴上的分量
PZ
m
2
核磁矩在磁场方向上的分量
Z
m h 2
核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能 E, 即各能级的能量为
E=－ZB0
E 1/2= －B0 E-1/2= B0
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
由式 E = －ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低 能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
与紫外、红外比较
共同点都是吸收光谱
吸收 能量
紫外-可见
红外
核磁共振
无线电波
紫外可见 光
红外光 1~100m波长最 长，能量最小,
780nm~1000 不能发生电子
200~780nm
m
振动转动能级
跃迁
跃迁 类型
电子能级 振动能级跃 自旋原子核发
跃迁
迁
生能级跃迁
§7-1核磁共振基本原理
一、原子核的磁性
质量数 为偶数
原子序 数为偶
数
自旋量子 数为0
无自旋
12C6,32S16 ,16O8
质量数 为偶数
原子序 数为奇
数
自旋量子 数为1,2,3
有自旋
14N7
质量数 为奇数
原子序 数为奇 数或者
偶数
自旋量子
1H1, 13C6
数为 有自旋 19F9,31P15
1/2,3/2,5/2
I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核 表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15
原子核具有质量并带正电荷， 大多数核有自旋现象，在自 旋时产生磁矩，磁矩的方向 可用右手定则确定，核磁矩 和核自旋角动量P都是矢量， 方向相互平行，且磁矩随角 动量的增加成正比地增加 =P
—磁旋比，不同的核具有不 同的磁旋比，对某元素是定值。 是磁性核的一个特征常数
例 C1：3核H的原子C =6H.=732×.681×071T0-81T·S-1-·1S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1)
N(1)
E
h
hB0
2 e kT e kT e 2kT
N(1)
2
当 的B1H0 核= 1数.4之09比T为,温度为300K时,高能态和低能态
N(1) e 2
6.62313.01344J1.s328.1608213J08TK11s3110.K 400T9
N(1)
2 = 0.99999
处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一, 而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生 的