内蒙古大学：《分析化学》课程教学资源（PPT课件）第十章 核磁共振波谱分析 第一节 核磁共振基本原理

第十章 一、原子核的自旋 核磁共振波谱 二、核磁共振现象 分析法 三、核磁共振条件 四、核磁共振波谱仪 第一节 核磁共振基本原理 下页 螺助 越热回

第十章 核磁共振波谱 分析法 一、原子核的自旋 二、核磁共振现象 三、核磁共振条件 四、核磁共振波谱仪 第一节 核磁共振基本原理

原子核的自旋 若原子核存在自旋，产生核磁矩： :自旋量子数； 自旋角动量： D= √I(I+1) 2π h:普朗克常数； 核 磁 矩： u=8BI(I+1) 核磁子B=ehl2Mc; 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()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. 页 下页返回

一、 原子核的自旋 若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量： I：自旋量子数； h：普朗克常数； 核磁子=eh/2M c； 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. ( 1) 2 = I I + h   核 磁 矩：  = g I(I +1)

讨论： 复进轨避 (1)=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。 自旋的质子 (2)=1或I>0的原子核 =1:2H,14N =3/2:11B,35Cl,79Br,81Bm 1=5/2:170,1271 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的原子核 H,13C,19F,31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，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。 下页 返回

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 或 I >0的原子核 I=1 ：2H， 14N I=3/2： 11B， 35Cl， 79Br， 81Br I=5/2：17O， 127I 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的原子核 1H， 13C， 19F， 31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体，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

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H中时， 相对于外磁场，可以有 M= 2 (2+1)种取向： N 氢核(=1/2)，两种 取向（两个能级）： N S (1)与外磁场平行，能量低， N 磁量子数m=十1/2， (2)与外磁场相反，能量高， M=+ 磁量子数m=一1/2： 下页 返回

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H0中时， 相对于外磁场，可以有 （2I+1）种取向： 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;

(核磁共振现象) 两种取向不完全与外磁场平行，0=54°24’和125.36 相互作用，产生进动（拉莫进动 进动频率yo;角速度o; 旋进轨道 0,=2π%=yH0 一自技的 y磁旋比；Ho外磁场强度： 两种进动取向不同的氢核之间 自装的齿子 的能级差：△E=Ho（磁矩) M= N N N M=+ 上页 下页 返回

( 核磁共振现象) 两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’ 相互作用, 产生进动(拉莫进动) 进动频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 =  H0  磁旋比； H0外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之间 的能级差：E= H0 （磁矩）

三、核磁共振条件 10 在外磁场中，原子核能 Vo 级产生裂分，由低能级向高 能级跃迁，需要吸收能量。 +△B 射频场 能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。 射频振荡线圈 对于氢核，能级差：△E=H (u磁矩) 产生共振需吸收的能量：△E=H=hvo 由拉莫进动方程：0=2π6=H0; 共振条件：6=yH/(2π) 上页 下页了返回

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。 能级量子化。射频振荡 线圈产生电磁波。 对于氢核，能级差： E= H0 （磁矩） 产生共振需吸收的能量：E= H0 = h 0 由拉莫进动方程：0 = 2 0 = H0 ; 共振条件： 0 =  H0 / (2 )

共振条件 M= (1)核有自旋（磁性核） N (2)外磁场，能级裂分： M=+号 (3)照射频率与外磁场的比值6/H。=y/(2π) +△B 射频场 -A 射频振荡线圈 上页 下页 返回

共振条件 (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0 / H0 =  / (2 )

讨论： 共振条件：Vo=yH/(2π) 29Si 13BA 2H170 （1)对于同一种核，磁旋比 2 0.30.40.50.60.70.80.9 磁场强度T 为定值，H变，射频频率v变。 低分辨核磁共振谱 (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H和射频频率y不同。 (3)固定H,改变y（扫频)， 不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定y,改变Ho(扫场)。扫场方式 应用较多。 氢核(H)：1.409T 共振频率 60 MHz 2.305T 共振频率 100 MHz 磁场强度H的单位：1高斯(GS)=104T(特拉斯) 下页 返回

讨论: 共振条件： 0 =  H0 / (2 ) （1）对于同一种核 ，磁旋比 为定值， H0变，射频频率变。 （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H0和射频频率不同。 （3） 固定H0 ，改变（扫频） ，不同原子核在不同频率处 发生共振（图）。也可固定 ，改变H0 （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 磁场强度H0的单位：1高斯（GS）=10-4 T（特拉斯）

讨论： 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境)有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。 H 63CuNa2Al CH3 C=C H 6 Cu 2170 13B 0.10.2 0.30.40.50.60.70.80.9 磁场强度T 低分辨核磁共振谱 6.0 5.0 4.0 下页 返回

讨论: 在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结 构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移 和裂分，如右图所示。 由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构

四、核磁共振波谱仪 试 记录仪 1.永久磁铁：提供外磁 射频震荡器 场，要求稳定性好，均匀， 样管 不均匀性小于六千万分之 射频接收器 一。扫场线圈。 2.射频振荡器： 线圈垂 磁铁 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。 扫场线圈 扫场线圈 3.射频信号接受器（检 核磁共振仪原理示意图 测器)：当质子的进动频 率与辐射频率相匹配时， 4.样品管：外径5mm的玻璃管， 发生能级跃迁，吸收能量， 测量过程中旋转，磁场作用均匀。 在感应线圈中产生毫伏级 信号。 下页 返回

四、核磁共振波谱仪 1．永久磁铁：提供外磁 场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之 一。扫场线圈。 2 ．射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。 3 ．射频信号接受器（检 测器）：当质子的进动频 率与辐射频率相匹配时， 发生能级跃迁，吸收能量， 在感应线圈中产生毫伏级 信号。 4．样品管：外径5mm的玻璃管, 测量过程中旋转, 磁场作用均匀