最新核磁共振新技术
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从式中可知道，观察核磁共振吸收的方法有两种：固定磁场 强度H0而改变频率，称为扫频法；固定电磁波频率而改变 磁场强度H0 ，称之为扫场法。
4、弛豫过程
1H的磁性核在电磁波的作用下，能级分裂为二。根据
Boltzmann分配定律，处在低能级的原子核数目占有微弱的优 势。如在外磁场（60MHz), 温度为27℃时，两个能级上氢 核数目N之比为：
P2h I(I1)
式中：h是普朗克常数, 6.62410-34J/S
I是核的自旋量子数,
In 2
I = 0， P=0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不
会产生共振信号。
只有当I ＞ 0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
说 明： I为核自旋量子数也简称核自旋，其数值随核而异。 （1）核内质子数和中子数都为偶数时，I=0，观察不到核磁共振现象 （2）核内质子数和中子数均为奇数时，I为正整数。 （3）核内质子数中子数一奇一偶时，I为半整数。 后两类是核磁共振研究的主要对象。
图3、(a)自旋陀螺在重力 场中的进动工(b)自旋原 子核在外磁场中的进动
进动角频率： l H0 ，进动线频率： l
l 2
将式代入得：
l
2
H0
3）核磁共振的条件
量子力学选律可知，只有m = 1的跃迁，才是 允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：
E=E2-E1=2 H0
如果在磁场的垂直方向加一个射频场，当射频
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A）
奇数 偶数
例如：
原子序数（Z） 自旋量子数（I）
奇数或偶数 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,…
奇数
整数
偶数
0
A（1）
H
Z（1）
奇-奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
A（12）
C
Z（6） 偶-偶
I=0
无
A（14）
N
Z（7）
偶-奇
I为整数
有共振吸收
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁 场，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。
核磁共振原理
核磁共振光谱：
以频率为兆赫级、波长很长、能量很低的电磁波照射 分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用， 引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸 收信号。与其他光谱方法一样，属于波谱分析。
§1 原子核的磁性 1、原子核的自旋
原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。 原子核绕 轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由 量子力学计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。
核磁矩在外磁场中的能级分布
两能级差为：
E=E2-E1=2 H0
将式代入得： E＝ hH0 2
2)、拉摩进动(Lamor)
百度文库
在外磁场旋转的原子核，
其自旋轴与外磁场方向之间有 一倾角。外磁场的作用使核磁 受到一个垂直核磁矩的扭力， 这样原子核就围绕外磁场的方 向回旋，犹如在重力场中运动 的陀螺。这种运动方式称为拉 摩进动。
N(1 2) N(1 2)
eE/KTeh
H /2k
T1.000009
即每一百万个氢核中低能级氢核数比高能级的多十个左 右。虽然这种微弱的优势，使低能级的核在强磁场作用下吸 收能量由低能级跃迁到高能级。随着低能级的核数目的减少， 吸收信号减弱直至消失，此为饱和。实际应用中，只要合理 地选用照射制度，就可以连续观察到NMR信号。使低能级上 的核始终保持微弱多数的。因此必然存在使低能级的磁核始 终保持微弱多数的内在因素，即高能级的核必须放出能量回 到低能级，从而使低能级的核始终占优势。
P是空间量子化的，在坐标Z轴上的分量Pz取分立的
值：
Pz
h
2
m
式中：m是原子核的磁量子数，其值等于﹣I, I+1,…I-1,
I。故能取(2I+1)个值Pz的各个值相相差 因此是不连续的，是空间量子化的。
2
h
的整数倍，
H0
Mi=
1 2
E1=﹢H0
E
E
Mi=
1 2
E2=﹣H0
图2 1H 在外磁场中的取向能级
以1H核 为例，无外磁场 H0作用，排列是随机的， 磁性相互抵消；加上外磁场H0时， 1H有序排列。排 列方式有(2I+1 , I=1/2 )种，即两种取向，分别对应 两个自旋量子数Mi=1/2。 外磁场 H0与核的作用能:
E= H0 两种取向对应两个能级：
当 与H0同向时， E= - H0； 当 与H0反向时， E= ﹢H0
核磁共振新技术
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家
•
1944年
•
1952年
•
1952年
•
1955年
•
1955年
•
1964年
•
1966年
•
1977年
•
1981年
•
1983年
•
1989年
•
1991年
I.Rabi F.Block E.M.Purcell W.E.Lamb P.Kusch C.H.Townes A.Kastler J.H.Van Vleck N.Bloembergen H.Taube N.F.Ramsey R.R.Ernst
场的能量h 电满足条件：
h电＝E＝
hH0
2
电
H0
2
即
电l
hH0 2
vBo 2
或Bo
核子从射频场中吸收能量hv从低能级跃迁到高能级， 发生核磁共振吸收。
原子核在外磁场中吸收特定频率电磁波的现象称为核磁共振。
公式的意义：
1) 对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件 不同。
2) 对于同一种原子核来说， 值一定，共振频率随外磁场H0 而改变。
在外磁场B0中塞曼分裂图：
2、原子核的核磁矩
核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图 所示。核磁矩由下式确定：
P
式中： 为磁旋比。不同的 核，其值不同； 为核磁矩； P为自旋角动量
P2h I(I1)2hI
将式代入：得到： hI 2
图1 核磁产生磁场的方向
3、核磁在外磁场中的行为
1）核磁与外磁场H0之间的作用能
弛豫过程（Relaxation）: 是高能态的核以非辐射的形式 放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。如果没 有弛豫过程，饱和现象容易发生。弛豫过程分为两类：
1）自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）(Spin-lattice Relaxation）
自旋核与周围分子交换能量的过程。核周围的许多小 分子相当于许多的小磁体，这些小磁体的快速运动产生 瞬息万变的小磁场－波动磁场。某个波动磁场的频率与 核自旋产生的磁场频率一致时，自旋核与波动磁场发生 能量交换，将能量传递给周围分子而跳回低能级，从而 使低能级的核数目占有微弱的优势。因此总的结果是降 低高能级的核数目。弛豫过程经历的时间愈短，自旋－ 晶格弛豫过程的效率愈高。气体和液体样品的t1很短， 仅几秒种。固体样品因分子热运动受到限制，T1很大， 因此NMR常采用液体样品。
4、弛豫过程
1H的磁性核在电磁波的作用下，能级分裂为二。根据
Boltzmann分配定律，处在低能级的原子核数目占有微弱的优 势。如在外磁场（60MHz), 温度为27℃时，两个能级上氢 核数目N之比为：
P2h I(I1)
式中：h是普朗克常数, 6.62410-34J/S
I是核的自旋量子数,
In 2
I = 0， P=0， 无自旋，不能产生自旋角动量，不
会产生共振信号。
只有当I ＞ 0时，才能发生共振吸收，产生共振信号。
说 明： I为核自旋量子数也简称核自旋，其数值随核而异。 （1）核内质子数和中子数都为偶数时，I=0，观察不到核磁共振现象 （2）核内质子数和中子数均为奇数时，I为正整数。 （3）核内质子数中子数一奇一偶时，I为半整数。 后两类是核磁共振研究的主要对象。
图3、(a)自旋陀螺在重力 场中的进动工(b)自旋原 子核在外磁场中的进动
进动角频率： l H0 ，进动线频率： l
l 2
将式代入得：
l
2
H0
3）核磁共振的条件
量子力学选律可知，只有m = 1的跃迁，才是 允许跃迁，所以相邻两能级之间的能量差：
E=E2-E1=2 H0
如果在磁场的垂直方向加一个射频场，当射频
I 的取值可用下面关系判断：
质量数（A）
奇数 偶数
例如：
原子序数（Z） 自旋量子数（I）
奇数或偶数 半整数 n + 1/2。n = 0,1,2,…
奇数
整数
偶数
0
A（1）
H
Z（1）
奇-奇
I为半整数（1/2）
有共振吸收
A（12）
C
Z（6） 偶-偶
I=0
无
A（14）
N
Z（7）
偶-奇
I为整数
有共振吸收
半数以上的原子核具有自旋，旋转时产生一小磁场。当加一外磁 场，这些原子核的能级发生分裂，这一物理现象称为塞曼效应。
核磁共振原理
核磁共振光谱：
以频率为兆赫级、波长很长、能量很低的电磁波照射 分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用， 引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸 收信号。与其他光谱方法一样，属于波谱分析。
§1 原子核的磁性 1、原子核的自旋
原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。 原子核绕 轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由 量子力学计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。
核磁矩在外磁场中的能级分布
两能级差为：
E=E2-E1=2 H0
将式代入得： E＝ hH0 2
2)、拉摩进动(Lamor)
百度文库
在外磁场旋转的原子核，
其自旋轴与外磁场方向之间有 一倾角。外磁场的作用使核磁 受到一个垂直核磁矩的扭力， 这样原子核就围绕外磁场的方 向回旋，犹如在重力场中运动 的陀螺。这种运动方式称为拉 摩进动。
N(1 2) N(1 2)
eE/KTeh
H /2k
T1.000009
即每一百万个氢核中低能级氢核数比高能级的多十个左 右。虽然这种微弱的优势，使低能级的核在强磁场作用下吸 收能量由低能级跃迁到高能级。随着低能级的核数目的减少， 吸收信号减弱直至消失，此为饱和。实际应用中，只要合理 地选用照射制度，就可以连续观察到NMR信号。使低能级上 的核始终保持微弱多数的。因此必然存在使低能级的磁核始 终保持微弱多数的内在因素，即高能级的核必须放出能量回 到低能级，从而使低能级的核始终占优势。
P是空间量子化的，在坐标Z轴上的分量Pz取分立的
值：
Pz
h
2
m
式中：m是原子核的磁量子数，其值等于﹣I, I+1,…I-1,
I。故能取(2I+1)个值Pz的各个值相相差 因此是不连续的，是空间量子化的。
2
h
的整数倍，
H0
Mi=
1 2
E1=﹢H0
E
E
Mi=
1 2
E2=﹣H0
图2 1H 在外磁场中的取向能级
以1H核 为例，无外磁场 H0作用，排列是随机的， 磁性相互抵消；加上外磁场H0时， 1H有序排列。排 列方式有(2I+1 , I=1/2 )种，即两种取向，分别对应 两个自旋量子数Mi=1/2。 外磁场 H0与核的作用能:
E= H0 两种取向对应两个能级：
当 与H0同向时， E= - H0； 当 与H0反向时， E= ﹢H0
核磁共振新技术
12位因对核磁共振的杰出贡献而获得 诺贝尔奖科学家
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1944年
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1952年
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1952年
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1955年
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1955年
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1964年
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1966年
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1977年
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1981年
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1983年
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1989年
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1991年
I.Rabi F.Block E.M.Purcell W.E.Lamb P.Kusch C.H.Townes A.Kastler J.H.Van Vleck N.Bloembergen H.Taube N.F.Ramsey R.R.Ernst
场的能量h 电满足条件：
h电＝E＝
hH0
2
电
H0
2
即
电l
hH0 2
vBo 2
或Bo
核子从射频场中吸收能量hv从低能级跃迁到高能级， 发生核磁共振吸收。
原子核在外磁场中吸收特定频率电磁波的现象称为核磁共振。
公式的意义：
1) 对于不同的原子核，由于磁旋比不同，发生共振的条件 不同。
2) 对于同一种原子核来说， 值一定，共振频率随外磁场H0 而改变。
在外磁场B0中塞曼分裂图：
2、原子核的核磁矩
核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图 所示。核磁矩由下式确定：
P
式中： 为磁旋比。不同的 核，其值不同； 为核磁矩； P为自旋角动量
P2h I(I1)2hI
将式代入：得到： hI 2
图1 核磁产生磁场的方向
3、核磁在外磁场中的行为
1）核磁与外磁场H0之间的作用能
弛豫过程（Relaxation）: 是高能态的核以非辐射的形式 放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。如果没 有弛豫过程，饱和现象容易发生。弛豫过程分为两类：
1）自旋－晶格弛豫（纵向弛豫）(Spin-lattice Relaxation）
自旋核与周围分子交换能量的过程。核周围的许多小 分子相当于许多的小磁体，这些小磁体的快速运动产生 瞬息万变的小磁场－波动磁场。某个波动磁场的频率与 核自旋产生的磁场频率一致时，自旋核与波动磁场发生 能量交换，将能量传递给周围分子而跳回低能级，从而 使低能级的核数目占有微弱的优势。因此总的结果是降 低高能级的核数目。弛豫过程经历的时间愈短，自旋－ 晶格弛豫过程的效率愈高。气体和液体样品的t1很短， 仅几秒种。固体样品因分子热运动受到限制，T1很大， 因此NMR常采用液体样品。