《分析化学》课程PPT教学课件（药学专业仪器分析）第九章 核磁共振波谱分析法

第九章 二、原子核的自旋 核磁共振波谱 二、核磁共振现象 分析法 三、核磁共振条件 第一节 四。核磁共振波谱仪 核磁共振基本原理

第九章 核磁共振波谱 分析法 一、原子核的自旋 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件 四、核磁共振波谱仪 第一节 核磁共振基本原理

一、 原子核的自旋 11+1) 2元 核磁 矩： μ=gBNI(I+) 4m=2.79270413=0.70216 核磁子B=eh/2Mc:自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩， 质量数(a) 原子序数(Z) 自旋量子(I) 例子 奇数 奇或偶 135 222 1-H℃% 偶数 偶数 0 2Ca,60,2S16 偶数 奇数 1,2,3. 1=12H,N1-3,B

质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子 奇数 奇或偶  2 5 , 2 3 , 2 1 , , 2 1 1 1 I = H 7 1 5 9 1 9 6 1 3C , F , N 8 1 7 1 7 3 5 5 1 1 , 2 5 , , , 2 3 I = B C l I = O 偶数 偶数 0 1 6 3 2 8 1 6 6 1 2C , O , S 偶数 奇数 1，2，3. 5 1 0 7 1 4 1 2 I = 1, H , N ,I − 3, B 一、 原子核的自旋 核磁子=eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩， ( 1) 2 = I I + h   核 磁 矩：  = g I(I +1)   1 = 2.79270 H  13 = 0.70216 C 

讨论： 旋进轨道、 (1)=0的原子核160；12C;22S等，无自 旋，没有磁矩，不产生共振吸收 一自轴 一启旋的质子 (2)=1或1>0的原子核 112H,14N 3/2:11B,35C1,79Br,.81B =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1H,13C,19下，3p 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自 旋，有磁矩产生，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 16O； 12 C； 22 S等 ，无自 旋，没有磁矩，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均匀分布的球体，并象陀螺一样自 旋，有磁矩产生，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

MFl nl 历 n0 nF- 仁1/2 nF-1 E-2 12 1 2 m=1/2 E2=+μH6 入 E=E2一E1=2μH E=-μH m=-1/2

H0 m=1/2 m=-1/2 m=1 m=-1 m=0 m=2 m=1 m=0 m=-1 m=-2 I=1/2 I=1 I=2 z z z 1 P  H0 H E2=+  H0 E= E2 － E1 = 2 H0 E1=－  H0

二、核磁共振现象 自旋量子数=12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 当置于外磁场H中时，相对 M=- 于外磁场，有(2什1)种取向： N 氢核(=12)，两种取向 (两个能级)： N S N ()与外磁场平行，能量低，磁量 了数m=+1/2 M=+ 2 (②)与外磁场相反，能量高，磁量 子数m=一1/2：

二、 核磁共振现象 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。 当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，有（2I+1）种取向： 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;

(核磁共振现象) 两种取向不完全与外隧场平行，0=54°24’和125 36 相互作用，产生进动（拉莫进 动进动频率“。；角速度① 旋进轨道、 @0=2r6=r 一目技轴 磁旋比：H外磁场强度： 两种进动取向不同的氢核之 启装的齿子 间的能级差： △E=H(磁矩)

( 核磁共振现象) 两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’ 相互作用, 产生进动(拉莫进 动)进动频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 =  H0  磁旋比； H0外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之 间的能级差： E= H0 （磁矩）

三、核磁共振条件 在外磁场中，原子核能级 产生裂分，由低能级向高能 级跃迁，需要吸收能量。 +△B 能级量子化。射频振荡 射频场 -△E 线圈产生电磁波 射频振荡线圈 对于氢核，能级差：△E=(4磁矩) 产生共振需吸收的能量：△E=4H。=hY。 由拉莫进动方程：o=2元%=yH 共振条件：=YH/(2元)

三、核磁共振条件 在外磁场中，原子核能级 产生裂分，由低能级向高能 级跃迁，需要吸收能量。 能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。 对于氢核，能级差： E= H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E=  H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 =  H0 ; 共振条件： 0 =  H0 / (2 )

共振条件 M- N ()核有自旋（磁性核 S N (2)外磁场，能级裂分； M=+ (3)照射频率与外磁场的比值/H=y/(2π) 90 Vo +△E 射频场 射频振荡线圈

共振条件 (1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场,能级裂分; (3)照射频率与外磁场的比值0 / H0 =  / (2 )

能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算： -》 磁场强度2.3488T:25°C:1H的共振频率与分配比： 共振频率v=乙B 2.68×10°×2.3488 100.001z 2元 2×3.24 6.626×103×100.00×109 J.s-s 0.999984 N 1.38066×10-23×298 J.K.K 两能级上核数目差：1.6×105： 弛豫(claxtion) 高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(B188 低能态的核等于高能态的核

能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算： 磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：        = −       = −         − = − kT h kT E kT E E N N i j j i  exp exp exp 两能级上核数目差：1.610-5； 100.00MHz 2 3.24 2.68 10 2.3488 2 8 0    = B =   共振频率 0.999984 J K K J s s 1.38066 10 298 6.626 10 100.00 10 exp 1 1 2 3 3 4 6 =                  = − − − − j i N N 弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核

讨论： 63CuNa2Al 65Cu 共振条件：=YH/2π) 29Si 2纽170 18B (1)对于同一种核，磁旋比y 0.1 0.2 0.30.40.50.60.70.80.9 磁场强度T 为定值，H变，射频频率变。 低分辨核磁共振谱 (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H和射频频率不同。 (3)固定H,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H(扫场)。扫场方式 应用较多。 氢核(H)；1.409T 共振频率602 2305T 共振频率100MHz 磁场强度H的单位：1高斯(GS)=104T(特拉斯

讨论: 共振条件： 0 =  H0 / (2 ) （1）对于同一种核，磁旋比 为定值， H0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H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，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H0 （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H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯）