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01 核磁共振的基本原理
* 第四章:核磁共振氢谱 利用核磁共振光谱进行结构测定,定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称 NMR 将磁性原子核放入强磁场后,用适宜频率的电磁波照射,它们会吸收能量,发生原子核能级跃迁,同时产生核磁共振信号,得到核磁共振 在有机化合物中,经常研究的是1H和13C的共振吸收谱。 与紫外、红外比较 共同点都是吸收光谱 紫外-可见 红外 核磁共振 吸收 能量 紫外可见光 200~780nm 红外光 780nm~1000?m 无线电波1~100m波长最长,能量最小,不能发生电子振动转动能级跃迁 跃迁 类型 电子能级跃迁 振动能级跃迁 自旋原子核发生能级跃迁 NMR是结构分析的重要工具之一,在化学、生物、医学、临床等研究工作中得到了广泛的应用。 分析测定时,样品不会受到破坏,属于无破损分析方法 第一节:核磁共振基本原理 原子核具有质量并带正电荷,大多数核有自旋现象,在自旋时产生磁矩?,磁矩的方向可用右手定则确定,核磁矩?和核自旋角动量P都是矢量,方向相互平行,且磁矩随角动量的增加成正比地增加 ? = ? P ?—磁旋比,不同的核具有不同的磁旋比,对某元素是定值。是磁性核的一个特征常数 一、原子核的磁性 例:H原子?H=2.68×108T-1·S-1(特[斯拉]-1 ·秒-1) C13核的?C =6.73×107 T-1·S-1 代入上式得: 当I=0时,P=0,原子核没有自旋现象,只有I﹥0,原子核才有自旋角动量和自旋现象 核的自旋角动量是量子化的,与核的自旋量子数 I 的关系如下: (? = ? P) I=1/2的原子核,核电荷球形均匀分布于核表面,如: 1H1, 13C6 , 14N7, 19F9,31P15 它们核磁共振现象较简单;谱线窄,适宜检测,目前研究和应用较多的是1H和13C核磁共振谱 二、核自旋能级和核磁共振 1、核自旋能级 把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩 ? 与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示 m=I, I-1, I-2, ……-I 每种取向各对应一定能量状态 I=1/2的氢核只有两种取向 I=1的核在B0中有三种取向 与外磁场平行,能量较低,m=+1/2, E 1/2= -?B0 与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2, E -1/2=?B0 I=1/2的氢核 Pz为自旋角动量在Z轴上的分量 核磁矩在磁场方向上的分量 核磁矩与外磁场相互作用而产生的核磁场作用能E, 即各能级的能量为 E=-?ZB0 E 1/2= -?B0 E-1/2= ?B0 I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系 由式 E = -?ZB0及图可知1H核在磁场 中,由低能级E1向高能级E2跃迁,所需能量为 △E=E2-E1= ?B0 -(-?B0) = 2 ?B0 △E与核磁矩及外磁场强度成正比, B0越大,能级分裂越大, △E越大 无磁场 B0外加磁场 E1= -?B0 E2= ?B0 △E=2 ?B0 m= -1/2 m= +1/2 如果以一定频率的电磁波照射处于磁场B0中的核,且射频频率?恰好满足下列关系时: h ? =ΔE ΔE=2? B0 (核磁共振条件式) 处于低能态的核将吸收射频能量而跃迁至高能态,这种现象叫做核磁共振现象。 I=1/2 的核发生核磁共振吸收射频的频率,即共振频率。 自旋核的跃迁能量 ? 磁性核 h ? =ΔE 高能级 低能级 2、核磁共振 (1)对自旋量子数I=1/2的同一核来说,,因磁矩为一定值,?—为常数,所以发生共振时,照射频率的大小取决于外磁场强度的大小。外磁场强度增加时,为使核发生共振,照射频率也相应增加;反之,则减小。 产生核磁共振光谱的条件 *
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