核磁共振波谱研究生用.ppt

核磁共振波谱法 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy , NMR 第一节 核磁共振原理 3.1 原子核的自旋与磁矩 原子核的自旋:由于原子核是带电荷的粒子，若有自旋现象，即产生磁矩。并非所有的原子都会自旋，都具有磁性。物理学的研究证明，各种不同的原子核，自旋的情况不同，原子核自旋的情况可用自旋量子数 I 表征（见下表 ）。 自旋量子数I=0的原子核有 16O , 12C , 32S , 28Si 等。实验证明，这些原子核没有自旋现象,因而没看磁矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振来研究。 自旋量子数I=1或1 的原子核： I=3/2的有11B，35CI，79Br，81B等； I=5/2 的有17O，127I； I=1的有2H，14N等。 这类原子核电荷分布可看作是一个椭圆体，电荷分布不均匀。其共振吸收常会产生复杂情况，目前在核磁共振的研究上应用很少。 自旋量子数I=1/2的原子核有1H，19F，31P，15N，13C等。这些核可当作一个电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。前三种原子在自然界的丰度接近100%，核磁共振容易测定。尤其是氢核（质子），不但易于测定，而且它又是组成有机化合物的主要元素之一，因此对于氢核核磁共振（1H-NMR）谱的测定，在有机分析中十分重要。对于13C的核磁共振（13C-NMR）的研究也有重大进展，并已成为有机化合物结构分析的重要手段。 ３.1.1 原子核的自旋  I≠0的原子核，都有自旋现象，其自旋角动量（P）为： （3-1）  式中，h－普朗克常数； I－自旋量子数。 3.1.2 原子核的磁矩 I≠0的原子核有自旋运动，并且带有一定的正电荷。这些电荷也围绕着自旋轴旋转，从而产生循环电流，循环电流会产生磁矩μ： μ=γ?Ρ （3-2）式中， γ－磁旋比（magnetogyric ratio）有时也称为旋磁比(gyromagnetic ratio)，各种核有它的固定值。γ可正可负，由核的本性决定。 自旋量子数I为1/2的原子核（如氢核），可当作电荷均匀分布的球体。当氢核围绕着其自旋轴转动时就产生磁场。由于氢核带正电荷，转动时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定，如图。由此可将旋转的核看作是一个小的磁铁棒。 3. 2 原子核在磁场中的行为 3.2.1 自旋核在外磁场B0中的自旋取向 将自旋原子核置于外磁场B0中，根据塞曼效应进行能级分裂（空间量子化）。它共有2I+1个取向，用磁量子数m表示。 核自旋角动量在z轴上的投影为： 　　　 Рz＝h/(2π)=?m　　　 （3-3） Рz与m一样，共有2I+1个数值，各值之间相差?整数倍。 同样，核磁矩在外磁场B0中也有2I+1个向： I=1/2 I=1 I=3/2 3.2.2 核磁矩在外磁场中的能量 把核磁矩放在外磁场B0中，则磁场对核磁矩有一定的作用力，使核磁矩在磁场中具有一定的能量。设静磁场B0与z轴方向重合，核磁矩μ与B0之间的夹角为α，则μ与B0之间相互作用的能量E为： E=-μ? B0=-| μ || B0 |cosα=-μz? B0  (3-6)由式（3-3）、（3-4）和（3-6）： Em=-μz? B0=-γ?mB0 (3-7) 这些不连续的能量值（量子化）称为原子核的能级，可用能级图表示： I=1/2 I=1 I=3/2 可见，核磁矩在磁场中的能级的数目取决于核自旋量子数I，能级总数为2I+1。m为正值的状态，核磁矩μ与外磁场B0同向，能量为负值，处于低能级；反之为高能级。则 ΔE=-γ? B0 (3-8) 3.2.3 自旋核在静磁场中的进动 自旋核在静磁场中的进动如同自旋陀螺在重力场（引力场）中的进动： 也就是说，当具有磁矩的核置于外磁场中，它在外磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场