内蒙古大学：《仪器分析化学》课程教学资源（PPT课件）第十九章 核磁共振波谱分析 第一节 核磁共振基本原理

第十九章 一、原子核的自旋 核磁共振波谱 atomic nuclear spin 二、核磁共振现象 分析法 nuclear magnetic resonance 三、核磁共振条件 nuclear magnetic resonance spectroscopy;NMR condition of nuclear magnetic resonance 第一节 四、核磁共振波谱仪 核磁共振基本原理 nuclear magnetic resonance spectrometer principles of nuclear magnetic resonance 下一页 23:12:54

23:12:54 第十九章 核磁共振波谱 分析法 一、原子核的自旋 atomic nuclear spin 二、核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 三、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 四、核磁共振波谱仪 nuclear magnetic resonance spectrometer 第一节 核磁共振基本原理 nuclear magnetic resonance spectroscopy; NMR principles of nuclear magnetic resonance

原子核的自旋 atomic nuclear spin 若原子核存在自旋，产生核磁矩： h 自旋角动量： p= VI(I+1) 2π 核磁矩： u=gβV1I+1) 4,=2.79270413。 =0.70216 核磁子B=ehl2Mc;自旋量子数 ()不为零的核都具有磁矩， 质量数(a) 原子序数(Z) 自旋量子(I) 例子 奇数 奇或偶 135 222. 1=h.C听W 偶数 偶数 0 12C6,160g,2S16 偶数 奇数 1,2, 3. I=1,2H1,14N7,I-3,10B 23:12:54

23:12:54 质量数（a） 原子序数（Z）自旋量子（I） 例子 奇数 奇或偶  2 5 , 2 3 , 2 1 , , 2 1 1 1 I = H 7 1 5 9 1 9 6 1 3C , F , N 8 1 7 1 7 3 5 5 1 1 , 2 5 , , , 2 3 I = B C l I = O 偶数 偶数 0 1 6 3 2 8 1 6 6 1 2C , O , S 偶数 奇数 1，2，3. 5 1 0 7 1 4 1 2 I = 1, H , N ,I − 3, B 一、 原子核的自旋 atomic nuclear spin 若原子核存在自旋，产生核磁矩： 自旋角动量： 核磁子=eh/2M c；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩， ( 1) 2 = I I + h   核 磁 矩：  = g I(I +1)   1 = 2.79270 H  13 = 0.70216 C 

讨论： 旋进线道 (①)=0的原子核160；12C;22S等，无自 旋，没有磁矩，不产生共振吸收 启旋的质子 (2)=1或I>0的原子核 =1:2H,14N =3/2:1B,35Cl,79Br,81Br =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 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。 23:12:54

23:12:54 讨论: (1) I=0 的原子核 16O； 12 C； 22 S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

二厂 FV2 .El h 2 E F1/2 nF-1 E-2 12 H 2 E2=+4H m=1/2 不 E=E2一E1=2uH 历 E=-u Ho m=-1/2 23:12:54

23:12:54 H0 m=1/2 m=-1/2 m=1 m=-1 m=0 m=2 m=1 m=0 m=-1 m=-2 I=1/2 I=1 I=2 z z z 1 P  H0 H E2=+  H0 E= E2 － E1 = 2 H0 E1=－  H0

核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 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。 当置于外磁场H中时，相对 M= 于外磁场，有(2+1)种取向： 氢核(=12)，两种取向 (两个能级)： N S (1)与外磁场平行，能量低，磁量 子数m=十1/2： M 2 (2)与外磁场相反，能量高， 磁量 子数m=-1/2: 23:12:54

23:12:54 二、 核磁共振现象 nuclear magnetic resonance 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。 当置于外磁场H0中时，相对 于外磁场，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 00=2π6=yH 目旋轴 y磁旋比；H外磁场强度； 两种进动取向不同的氢核之 启装的西子 间的能级差： △E=H（磁矩) 23:12:54

23:12:54 ( 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 condition of nuclear magnetic resonance 在外磁场中，原子核能级 Vo 产生裂分，由低能级向高能 级跃迁，需要吸收能量。 +△E 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 （磁矩) 产生共振需吸收的能量：△E=uH=hVo 由拉莫进动方程：o=2π6=yH; 共振条件：6=yH/(2π) 23:12:54 页下

23:12:54 三、核磁共振条件 condition of nuclear magnetic resonance 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； 道=+号 (3)照射频率与外磁场的比值/H=y/(2π) +△E 射频场 射频振荡线圈 0 23:12:54

23:12:54 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 )

能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算： 义=5)( 磁场强度2.3488T;25°C；1H的共振频率与分配比： 共振频率v=YB,= 2.68×108×2.3488 100.00MHz 2×3.24 Ni=ex 6.626x10-34×100.00×106,Jss1】 0.999984 1.38066×10-23×298 J.K-1.K 两能级上核数目差：1.6×105； 弛豫(relaxtion) 高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(saturated 低能态的核等于高能态的核。 23:12:54

23:12:54 能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann 定律计算： 磁场强度2.3488 T；25C；1H的共振频率与分配比：        = −       = −         − = − kT h kT E kT E E N N i j j i  exp exp exp 两能级上核数目差：1.610-5； 100.00MHz 2 3.24 2.68 10 2.3488 2 8 0    = B =   共振频率 0.999984 J K K J s s 1.38066 10 298 6.626 10 100.00 10 exp 1 1 2 3 3 4 6 =                  = − − − − j i N N 弛豫(relaxtion)——高能态的核以非辐射的方式回到低能态。 饱和(saturated)——低能态的核等于高能态的核

讨论： 65C 共振条件：vo=yH/(2π) 29Si 2170 13BA （1)对于同一种核，磁旋比y 0.30.40.50.60.70.80.9 为定值，H变，射频频率变。 磁场强度T 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H,(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) 23:12:54

23:12:54 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）