核磁共振波谱研究生用.ppt

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核磁共振波谱研究生用详解

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

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