《工程化学》课程教学资源_现代分析与测试技术_拓展课件2020_06核磁

波谱分析-NMR 第四章核磁共振波谱法 §4.1核磁共振波谱法基本原理 一、 原子核的自旋 若原子核是由质子和中子组成的带正电荷的离子， 其自旋运动将产生核磁矩： u=Yp 山：核磁距； p:自旋角动量； :磁旋比 h 自旋角动量：， 2P

波谱分析-NMR 1 §4.1 核磁共振波谱法基本原理 第四章 核磁共振波谱法 一、 原子核的自旋 若原子核是由质子和中子组成的带正电荷的离子， 其自旋运动将产生核磁矩：  =  μ：核磁距； ρ：自旋角动量； γ: 磁旋比 ( 1) 2 = I I + h p 自旋角动量： r

归东理子大写 波谱分析-NMR I:自旋量子数： h:普朗克常数； 自旋量子数（)不为零的核都具有磁矩，原子 的自旋情况可以用（I)表征： 质量数 原子序数 自旋量子数1 偶数 偶数 0 偶数 奇数 1,2,3. 奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2. 2

波谱分析-NMR 2 I：自旋量子数； h：普朗克常数； 自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩，原子 的自旋情况可以用（I）表征： 质量数 原子序数 自旋量子数I 偶数 偶数 0 偶数 奇数 1，2，3. 奇数 奇数或偶数 1/2；3/2；5/2

G 山东理王大军 波谱分析-NMR 讨论： (1)=0的原子核016)；C（12);S（22)等， 无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。 (2)=1,2,3.的原子核：2H,14N 但这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电 荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； (3)工=1/2,3/2,5/2.的原子核：1H,13C,19F, 31P 原子核的电荷均匀分布，并象陀螺一样自旋，有 磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C,H也是 有机化合物的主要组成元素。 3

波谱分析-NMR 3 讨论: （1） I=0 的原子核 O(16)；C（12）；S（22）等 ， 无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收。 （2） I=1，2，3 . 的原子核：2H， 14N 但这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电 荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少； （3）Ｉ＝1/2，3/2，5/2.的原子核: 1H， 13C， 19F， 31P 原子核的电荷均匀分布，并象陀螺一样自旋，有 磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是 有机化合物的主要组成元素

山东置子大军 波谱分析-NMR 二、 核磁共振现象 自旋量子数=1/2的原子核（氢核），可当作电荷 均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似 一个小磁铁。 当置于外加磁 场B,中时，相对于 外磁场，可以有 （2+1)种取向：

波谱分析-NMR 4 二、 核磁共振现象 自旋量子数 I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷 均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似 一个小磁铁。 当置于外加磁 场B0中时，相对于 外磁场 ， 可以有 （2I+1）种取向：

山东理工大军 波谱分析-NMR 氢核（=1/2) 两种取向（两个能 M 级) N (1)与外磁场平行 能量低，磁量子数 N m=+1/2; S N (2)与外磁场相反 能量高，磁量子数 M m=-1/2; 5

波谱分析 -NMR 5 氢核（ I=1/2）， 两种取向（两个能 级）： (1)与外磁场平行， 能量低，磁量子数 ｍ＝＋1/2; (2)与外磁场相反， 能量高，磁量子数 ｍ＝－1/2;

归东理工大写 波谱分析-NMR 两种取向不完全与外磁场平行，0=54°24’和12536 旋进轨道 两磁场相互作用，产生进动 (拉莫进动)进动频率v。；角 速度o; 自旋的因子 0=2元V6=YB0 y磁旋比；B外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之 间的能级差：△E=B0（4 磁矩) 6

波谱分析-NMR 6 两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’ 两磁场相互作用, 产生进动 (拉莫进动)进动频率 0； 角 速度0； 0 = 2 0 =  B0  磁旋比； B0外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之 间的能级差：E= B0 （ 磁矩）

归东理工大军 波谱分析-NMR 三、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。 对于氢核，能级差：△E=B。（磁矩) 产生共振需吸收的能量：△E=4B,=hVo 由拉莫进动方程：0=2π%=B0; 共振条件： yB。 2元

波谱分析-NMR 7 三、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。 对于氢核，能级差： E= B0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= B0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 = B0 ; 共振条件：    2 0 0 B =

归东理工大写 波谱分析-NMR ()核有自旋（磁性核） (2)外磁场，能级裂分； 3)照射频率与外磁场的比值为 Vo = Bo 2元 (1)对于同一种核，磁旋比y为定值，B改变，共 振频率y发生变化。 (2)不同原子核，磁旋比y不同，产生共振的条件不 同，需要的磁场强度B和射频频率不同。 8

波谱分析-NMR 8 (1) 核有自旋(磁性核) (2)外磁场，能级裂分; (3)照射频率与外磁场的比值为   0 2 0 = B v （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， B0改变，共 振频率0发生变化。 （2）不同原子核，磁旋比 不同，产生共振的条件不 同，需要的磁场强度B0和射频频率0不同

山东理工大军 波谱分析-NMR (3)固定B,改变v(扫频)，不同原子核在不同 频率处发生共振；也可固定%，改变H（扫场)。扫 场方式应用较多。 氢核（1H):1.409T 共振频率 60 MHz 2.305T 共振频率100MHz 四、弛豫(relaxation) B oltzmann分布 E N;=e Ni 9

波谱分析-NMR 9 （3） 固定B0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同 频率处发生共振；也可固定0 ，改变H （扫场）。扫 场方式应用较多。 氢核（1H）： 1.409 T 共振频率 60 MHz 2.305 T 共振频率 100 MHz 四、弛豫（relaxation) Ｂoltzmann分布 kT E j i e N N  =

归东理王大写 波谱分析-NMR N,与N分别是处于低能态与高能态的粒子数， 室温下比值为1.0000099，即每一百万个氢核中 低能级的比高能级的多10个左右。 原子核由激发态回复到B oltzmann平衡的过程称 为驰豫。 (1)自旋-晶格驰豫 自旋核与周围的粒子（固体的晶格，液体中的 分子或溶剂分子)交换能量，也称纵向驰豫。T1 液体及气体的T很小，几秒钟，固体的较大 10

波谱分析-NMR 10 原子核由激发态回复到Ｂoltzmann平衡的过程称 为驰豫。 Ni 与Nj分别是处于低能态与高能态的粒子数， 室温下比值为1.0000099，即每一百万个氢核中 低能级的比高能级的多10个左右。 （1） 自旋-晶格驰豫 自旋核与周围的粒子（固体的晶格，液体中的 分子或溶剂分子）交换能量，也称纵向驰豫。T1 液体及气体的T1很小，几秒钟，固体的较大