材料分析测试技术核磁

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1、一.核磁共振的基本原理二.核磁共振仪与实验方法三.核磁共振氢谱1.氢的化学位移2.各类质子的化学位移3.影响化学位移的因素4.自旋偶合和自旋裂分5.核磁共振氢谱的解析四.核磁共振碳谱五.核磁共振应用（自学）第九章原子核环境的研究方法核磁共振及其应用NuclearMagneticResonanceSpectroscopyandApplication1945年Purcell（哈佛大学）和Bloch（斯坦福大学）发现核磁共振现象，他们获得1952年Nobel物理奖1951年Arnold发现乙醇的NMR信号及与结构的关系1953年Varian公司试制

2、了第一台NMR仪器一、核磁共振的基本原理1、原子核的磁矩核磁矩：通常原子核为带电体，当其自旋时，产生一个小磁场，故可将一个自旋的核看作是一个小磁体，两磁极间的磁偶极的大小就是核磁矩。量子化学和实验证明自旋量子数I与原子核的质量数A和原子序数Z相关:SpinquantumnumberforvariousnucleiNumberofprotonsNumberofNeutronsSpinQuantumNumber(I)ExamplesEvenEven012C,16O,32SOddEven1/21H,19F,31POddEven3/211B,35Cl

3、,79Br,127IEvenOdd1/213CEvenOdd5/217OOddOdd12H,14N研究最多、应用最多的是1H和13C核磁共振谱。1H-NMR（或PMR）氢的核磁共振，指示氢在碳骨架上的位置。13C-NMR（或CMR）碳的核磁共振，指示碳的骨架是如何组成的。2、自旋核在磁场中的取向和能级外加磁场存在与不存在时自旋磁矩的取向没有外加磁场时，自旋磁矩的取向是混乱的。若有外加磁场的存在，对于自旋量子数为1/2的原子核，则自旋磁矩的取向只有两种，一种与外磁场平行，另一种则相反。具有磁矩的核在外磁场中的自旋取向是量子化的，可用磁量子数m来

4、表示核自旋不同的空间取向，其数值可取：m=I,I-1,I-2,……,-I，共有2I+1个取向。I=1/2自旋取向数=2½,-½I=1自旋取向数=31,0,-1I=2自旋取向数=5-2,-1,0,1,2每一种取向即为一种不同能量的状态。在H。中原子核的自旋取向两种不同取向的自旋所具有的能量不同，与外加磁场方向相同的，能量较低，与外加磁场方向相反，能量较高。两种取向存在能级差。m=-1/2能级高于m=1/2能级。能级分裂：核磁矩在磁场中出现不同取向的现象。以氢核为例：◎每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态。对于具有自旋量子数I和磁量子

5、数m的核，量子能级的能量可用下式确定：H0——外加磁场强度，高斯（G）；μ——核的磁矩，质子的磁矩为2.7927μ0。1H在外磁场中只有m=+1/2及m=-1/2两种取向，其能量分别为：E-1/2=-μH0和E+1/2=μH0。一般来说，自旋量子数为I的核，其相邻两能级之差为：影响两种取向能级差的因素有两个：原子核的种类和外加磁场的强度。不同磁场强度时两种自旋的能级差氢核由低能级向高能级跃迁时需要的能量△E与外加磁场强度（H0）及氢核磁矩（μ）成正比。显然，随着外加磁场强度增加，则发生核的能级跃时需要的能量也相应增大；反之，则减小。3核的回旋

6、和核磁共振当一个原子核的核磁矩处于某磁场中，由于核自身的旋转，而外磁场又力求它取向于磁场方向，在这两种力的作用下，核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋，这种运动称为Larmor进动。自旋角速度ω，外磁场H0，进动频率ν若原子吸收了与进动频率相同的射频，即可发生能级的跃迁，从而产生NMR。即有：上式即为NMR基本方程。有Larmor方程2为原子核进动的角速度。NMR基本方程核磁共振产生条件如果以射频ν照射处于外磁场H0中的核，且射频频率ν恰好满足下列关系时：让处于外磁场（Ho）中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射（射），当辐射的能量恰好

7、等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。此时能量即由电磁辐射向核转移。原子核在磁场中发生能级分裂，在磁场的垂直方向上加小交变电场，如频率为v射，当v射等于进动频率ν，发生共振。低能态原子核吸收交变电场的能量，跃迁到高能态。ΔE=hv迴=hv射=hH0/2π或v射=v迴=H0/2π射频频率与磁场强度H0是成正比的，在进行核磁共振实验时，所用的磁场强度越高，发生核磁共振所需的射频频率也越高。要满足核磁共振条件，可通过二种方法来实现：频率扫描（扫频）：固定磁场强度，改变射频频率磁场扫

8、描（扫场）：固定射频频率，改变磁场强度实际上多用后者。各种核的共振条件不同，如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的共振频率为：1H60.000MHZ13C15.0