现代分析测试技术第三章核磁共振PPT课件

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1、现代分析测试技术ModernTechnologyofCharacterizationandMeasuring崔莉D213第三章核磁共振技术核磁共振技术（NMR）和紫外、红外一样，属于吸收波谱。与紫外、红外不同的是，核磁样品置于磁场中（紫外、红外是在光源下），用射频源来辐射样品。使有磁矩的原子核（不是所有的都有磁矩）发生跃迁。核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，依据量子力学的观点，自旋角动量也是量子化的，其状态用核的自旋量子数I所决定。核磁共振用NMR(NuclearMagneticResonance)为代

2、号。I为零的原子核可以看作是一种非自旋的球体，I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋球体。I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布不均匀的自旋椭圆体。产生核磁共振的首要条件：核自旋时要有磁矩产生，也就是说核的自旋量子数I≠0。12C和16O的I＝0，因此不能成为核磁共振研究的对象。核磁共振（NMR，NuclearMagneticResonance）是基于原子尺度的量子磁物理性质。具有奇数质子或中子的核子，具有内在的性质：核自旋，自旋角动量

3、。核自旋产生磁矩。NMR观测原子的方法，是将样品置于外加强大的磁场下，现代的仪器通常采用低温超导磁铁。核自旋本身的磁场，在外加磁场下重新排列，大多数核自旋会处于低能态。我们额外施加电磁场来干涉低能态的核自旋转向高能态，再回到平衡态便会释放出射频，这就是NMR讯号。利用这样的过程，我们可以进行分子科学的研究，如分子结构，动态等。1930年代，伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获

4、得了诺贝尔物理学奖。1946年，费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0质量数为奇数的原子核，自

5、旋量子数为半整数质量数为偶数，质子数与中子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。第一节基本原理原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩(μ)。μ=γP公式中，P是角动量，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角动

6、量之间的比值。核磁矩μ以核磁子β为单位，。常见核磁共振原子核的性质如表：核磁矩β磁旋比rad/（T×s）在1.409T磁场下NMR频率/MHz1H2.792726.753×10460.00013C0.70226.723×10415.08619F2.627325.179×10456.44431P1.130510.840×10424.288自旋量子数与质子数和原子序数之间的关系质量数原子序数自旋量子数例子奇数奇数或偶数半整数1H、13C、31P、19F偶数奇数整数14N、2H（D）偶数偶数012C、16O2.原子核在外加磁场作用下的行为一般情况下

7、，原子核磁矩可以任意取向。原子核在均匀磁场下，磁矩就不是任意取向的，而是沿着磁场方向采取一定的量子化取向。）核磁矩在磁场中的取向数可用磁量子数m表示，m取值为I、（I-1）、（I-2）、…、－I，一共（2I＋1）个取向，使原来简并的能级分裂成（2I＋1）个能级。能级的能量H0为外加磁场强度，μH为磁矩在外磁场方向上的分量。式（2）代入式（1），则得出磁矩在外磁场中的分量对于1H和13C的核，I＝1/2，m＝±1/2，分裂成为2个能级，分裂的能级差与外加磁场强度有关，当I＝1/2时，如图所示。核量子态之间的能级产生跃迁的条件与其它类型的量子态能

8、级跃迁一样，只要外加一个其能量符合下式的射频即可低能级的核吸收射频波跃迁到高能级，产生核磁共振3.弛豫现象在外磁场中，由于核的取向，处于低能态的核占优优势，但在室温