(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) (NMR Spectroscopy
(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) ( NMR Spectroscopy )
$6-1核磁共振波谱基本原理 当用频率为兆赫数量级，波长约为0.6~10m,能量很低 的电磁波照射分子时，能使磁性的原子核在外磁场中发生磁 能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频辐 射的吸收称为核磁共振光谱。 一、 原子核的磁性 原子核是具有一定质量和体积的带电粒子，大多数 核都有自旋现象，具有核自旋角动量(P)。自旋时产 生磁矩()。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩和 角动量都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的 增加呈正比地增加： μ=YPY:磁旋比；不同核y不同
§6-1 核磁共振波谱基本原理 一、原子核的磁性 当用频率为兆赫数量级，波长约为0.6~10m，能量很低 的电磁波照射分子时，能使磁性的原子核在外磁场中发生磁 能级的共振跃迁，从而产生吸收信号。这种原子核对射频辐 射的吸收称为核磁共振光谱。 原子核是具有一定质量和体积的带电粒子，大多数 核都有自旋现象，具有核自旋角动量(P)。自旋时产 生磁矩()。磁矩的方向可用右手定则确定。磁矩和 角动量都是矢量，方向相互平行，且磁矩随角动量的 增加呈正比地增加： = P ：磁旋比；不同核不同
核自旋角动量是量子化的， 旋进轨道 可用自旋量子数I表示。 P=.D 2π =?么W* 启旋的费千 :自旋量子数，由实验确定： h:普朗克常数： 自旋角动量的大小，取 决于核的自旋量子数I。1 值得变化是不连续的，这 能是0、半整数、整数
核自旋角动量是量子化的， 可用自旋量子数 I 表示。 I：自旋量子数，由实验确定； h：普朗克常数； ( 1) 2 ( 1) 2 = + = + I I h I I h P 自旋角动量的大小，取 决于核的自旋量子数 I。I 值得变化是不连续的，这 能是0、半整数、整数
实践证明：自旋量子数()与原子质量数(A)、 质子数(Z)、中子数(N)有关： 质量数质子数 中子数自旋量子数核磁性 实例 (A) (Z) (N) (I) 偶数 偶数 偶数 0 无 12℃，160,32S 偶数 奇数 奇数 1,2,3.. 有 2H,10B,14N 奇数奇数或偶数偶数或奇数1/2：3/2：5/2.，有H,13C,170,19℉，31P 表中可以看出：0的原子核没有自旋现象，无磁性，称为非磁 性核，这类核不会发生核磁共振。其中=12时，核电荷呈球形 分布于核表面，其核磁共振的谱线窄，最适宜检测，是核磁共 振要研究的主要对象。如H,13℃，19℉，31P
实践证明：自旋量子数（I）与原子质量数（A）、 质子数（Z）、中子数（N）有关： 质量数 质子数 中子数 自旋量子数 核磁性 实例 （A） （Z） （N） （I） 偶数 偶数 偶数 0 无 12C,16O,32S 偶数 奇数 奇数 1，2，3…. 有 2H,10B,14N 奇数 奇数或偶数 偶数或奇数 1/2；3/2；5/2…. 有 1H,13C,17O,19F,31P 表中可以看出：I=0的原子核没有自旋现象，无磁性，称为非磁 性核，这类核不会发生核磁共振。其中I=1/2时，核电荷呈球形 分布于核表面，其核磁共振的谱线窄，最适宜检测，是核磁共 振要研究的主要对象。如1H,13C, 19F,31P
讨 论 1.I=0的原子核O16):C(12);S(32)等 无自旋，无磁性，称为非磁性核，这类核不会发 生核磁共振。不产生共振吸收。 2.=1或>0的原子核： =1:2H,14N, =3/2:11B,35C1,79Br,81Br 1=5/2:170,1271 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体， 电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少： 3.I=1/2的原子核：H,13C,1℉，31P 原子核可看作核电荷呈球形分布于核表面， 并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，其核磁共振的 谱线窄，最适宜检测，是核磁共振研究的主要对 象，C,H也是有机化合物的主要组成元素
讨 论: 1． I=0 的原子核 O(16)：C（12）；S（32）等 ， 无自旋，无磁性，称为非磁性核，这类核不会发 生核磁共振。不产生共振吸收。 2． I=1 或 I>0的原子核： I=1 ： 2H， 14N， I=3/2： 11B， 35Cl， 79Br， 81Br I=5/2： 17O， 127I 这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体， 电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； 3．Ｉ＝1/2的原子核：1H， 13C， 19F， 31P 原子核可看作核电荷呈球形分布于核表面， 并象陀螺一样自旋，有磁矩产生，其核磁共振的 谱线窄，最适宜检测，是核磁共振研究的主要对 象，C，H也是有机化合物的主要组成元素
二、核自旋能级和核磁共振 (一)核自旋能级 自旋量子数=1/2的原子核 (氢核)，可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 当置于外加磁场B,中时， 产生磁场，类似一个小磁铁。 相对于外磁场，可以有(2+1) 种自旋取向： 氢核(=1/2)，两种取 M=-2 向（两个能级）： N (1)与外磁场平行，能量低， N S 磁量子数m=+1/2: N (2)与外磁场相反，能量高， M=+立 磁量子数m=一1/2， 磁量子数m取值：I,1-1,.,-1
自旋量子数 I=1/2的原子核 （氢核），可当作电荷均匀分 布的球体，绕自旋轴转动时， 产生磁场，类似一个小磁铁。 当置于外加磁场B0中时， 相对于外磁场，可以有（2I+1） 种自旋取向： 氢核（I=1/2），两种取 向（两个能级）： (1)与外磁场平行，能量低， 磁量子数ｍ＝＋1/2; (2)与外磁场相反，能量高， 磁量子数ｍ＝－1/2; 磁量子数m取值：I，I-1,..,-I 二、核自旋能级和核磁共振 （一）核自旋能级
磁性核在磁场中的取向 B B m=+1/2 m=+1 P m=0 m=-1/2 m=-1 1=1/2 I=1 h Pz为自旋角动量P在z轴上的分量： P,=m 2π 核磁矩在磁场方向上的分量： h 4.=ym。 2π
磁性核在磁场中的取向 B0 PZ I=1/2 m = +1/2 m = -1/2 B0 PZ I=1 m = +1 m = -1 m = 0 2 h PZ = m PZ为自旋角动量P在z轴上的分量： 2 h 核磁矩在磁场方向上的分量： z = m
根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核 磁场作用能E,即各能级的能量为E=-μB, =12的核自旋能级裂分与B的关系 E 外加磁场 H核在磁场中，由低 无磁场 m=-1/2E2B0 能级(E)向高能级(E2) 跃迁时，所需的能量 △E2-2μB0 (△E)为 m=1/2E2=-B0 △E=E2-E =μ2B0-(-uzB,》 =2μzB0 Bo △E与核的磁矩和外磁场强度成正比
E B0 0 无磁场 外加磁场 m =-1/2 E2=B0 m =1/2 E2=-B0 △E2=2B0 根据电磁学理论，核磁矩与外磁场相互作用而产生核 磁场作用能E，即各能级的能量为 E=-zB0 I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系 1H核在磁场中，由低 能级(E1 )向高能级(E2 ) 跃迁时，所需的能量 (△E)为 △E=E2 -E1 =zB0-(-zB0) =2zB0 △E与核的磁矩和外磁场强度成正比
(三)核磁共振 两种取向不完全与外磁场平行，0=54°24'和125.36 核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，产生进动（拉莫 尔进动)。拉莫尔进动有一定的回旋频率V,当发生核磁 共振时，自旋核的跃迁能量（△E=2μB,)必然等于射频辐射 能量(E=h),则 2B。=hU 2uB。 )三 h v=/B, 发生核磁共振的条件 2π
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’ 核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用, 产生进动(拉莫 尔进动) 。拉莫尔进动有一定的回旋频率 ，当发生核磁 共振时，自旋核的跃迁能量(E= 2B0 )必然等于射频辐射 能量(E=h) ,则 （二）核磁共振 2 B 2 B 2 B 0 0 0 = = = h h 发生核磁共振的条件
讨 论 65c, 1B/ 共振条件：Vo=YB/(2π) 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 (1)对于同一种核，磁旋比y为 磁场强度T 低分辨核磁共振谱 定值，B,变，射频频率v变。 (2)不同原子核，磁旋比y不同，产生共振的条件不同，需要的 磁场强度B,和射频频率v不同。 (3)固定B。,改变V(扫频)，不同原子核在不同频率处发生 共振（图）。也可固定V,改变B。(扫场)。扫场方式应用较多。 氢核(1H):1.409T共振频率60MHz 2.305T共振频率100MHz 磁场强度B,的单位：1高斯(GS)=104T(特斯拉) 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化 学环境)有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分
讨 论: 共振条件： 0 = B0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为 定值， B0变，射频频率变。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不同，需要的 磁场强度B0和射频频率不同。 （3） 固定B0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处发生 共振（图）。也可固定 ，改变B0 （扫场）。扫场方式应用较多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 磁场强度B0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特斯拉） 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化 学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分