《材料研究方法》第7章核磁共振光谱法.pptx

波谱分析;光的基本性质;物质与光的相互作用;;;;7.1概述

7.2核磁共振的基本原理

7.3质子的化学位移

7.4自旋偶合和自旋裂分

7.5核磁共振的信号强度

7.6图谱解析

7.7核磁共振仪

7.8 NMR技术的进展

7.9 核磁共振谱在材料分析研究中的应用;7.1概述;12位因对核磁共振做出重要贡献而获得诺贝尔奖的科学家：;1966年A.Kastler,发明了光泵的方法

1977年J.H.VanVleck,提出了晶体场理论及能级的裂分

1981年N.Bloembergen,精确测量驰豫时间

1983年H.Taube,内圈电子转移机理

1989年N.F.Ramsey,分离振荡的电磁场方法,原子钟

1991年R.R.Ernst发展了二维核磁共振;核磁共振的发展史：

核磁共振现象得发现：

1930年物理学家I.Rabi发现H核共振吸收现象，因而获1944年诺贝尔物理学奖。

?

核磁共振用于物质结构分析：

美国哈佛大学教授E.M.Purcell于1945年12月在石蜡样品中观测到H稳态核磁共振现象。斯坦福大学教授F.Bloch于1946年1月在水中观测到H稳态核磁共振现象。他们共享了1952年诺贝尔物理学奖。

。;特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁，开辟了核磁共振分析的历史，因而

获1952年诺贝尔物理学奖。;1948年核磁驰豫理论的建立；

1950年化学位移和偶合现象的发现；

1956年Varian公司制造出第一台高分辨NMR商品仪器

1965年傅里叶变换谱学的诞生；

70年代，NMR的发展及其迅速，形成了液体高分辩、固体高分辨和NMR成像三雄鼎立的局面;脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明;核磁共振成像技术（MRI）;高分辨率固体核磁共振技术;NMR法的分类

按测定技术

高分辨溶液NMR谱

固体高分辨NMR谱

宽谱线NMR谱

按照测定对象

1H—NMR谱（测定对象为氢原子核）

13C—NMR谱（测定对象为碳原子核）

氟谱、磷谱、氮谱等;7.2核磁共振的基本原理;依据量子力学的观点，自旋角动量是量子化的，其状态是由核的自旋量子数I所决定。I的取值可为0、1/2、1、3/2等、;原子核的磁距

??r?p

式中：?－核磁距，以核磁子?为单位，

?＝5.05×10-27J/T是个常数；

r－磁旋比，是核的特征常数；p－自旋角动量。;;7.2.2原子核的回旋（拉摩尔进动）由于核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，因而原子核的运动状???除了自旋外，还要附加一个以外磁场方向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称拉摩尔进动。

拉摩尔方程：?0=2??0=?H0

?0:自旋核的角速度;?:磁旋比

表征：自旋核的进动频率?0与外磁场H0的关系。;7.2.3原子核的能级的分裂;;;;;;7.2.4核磁共振条件;在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级

向高能级跃迁，需要吸收能量。射频振荡线圈产生电磁波。

对于氢核，能级差：?E=2?H0 （?磁矩）产生共振需吸收的能量：?E=2?H0=h?0由拉摩尔进动方程：?0=2??0=?H0 ;

共振条件：?0=?H0/(2?)=2?H0/h;产生核磁共振的条件;讨论:;7.2.5弛豫过程

波尔兹曼（Boltzmann）分布

I=1/2原子核处在恒定外磁场中，m=1/2,m=-1/2

两种取向的原子核分布服从波尔兹曼

（Boltzmann）分布即：

N+/N-=EXP(-ΔE/kT)=EXP(-rhH/2ЛRT)

k-)波尔兹曼常数，=1.381*10-23JK-1H=1.4092T,T=300时，N+/N-=1.0000099;弛豫过程：高能态的原子核通过非辐射形式放出能量而回到低能态的过程。在核磁共振中存在两种弛豫过程。

（1）自旋－晶格弛豫(纵向驰豫)高能态的原子核将能量以热能形式传递给周围的粒子（固体为晶格原子，液体为周围的溶剂分子或同类分子）变成热运动而回到低能态，这一过程称为自旋－晶格弛豫。

在核磁中经常测试的是：自旋－晶格弛豫时间T1：磁核在某一高能态所停留的平均时间。;（2）自旋－自旋弛豫(横向驰豫)核自旋之间进行内部的能量交换，两个进动频率相同、进动取向不同的磁性核，即能态不同的相同核相互交换能量，改变进动方向，这一过程称为自旋－自旋弛豫。自旋－自旋弛豫时间用T2表示。

两个相邻的核处于不同能级，但进动频率相同，，高能级的核与低能级的核相互通过自旋状态的交换而实现的能量转移。．;;7.3.2化学位移

1定义 处于不同化学环境的氢核，屏蔽常数

?不同，共振峰将分别出现在核磁共振谱

图中不同磁场区域（或不同频率区域）。这种由