核磁共振与电子自旋共振波谱.ppt

第十一章 核磁共振与电子自旋共振波谱
本章内容
1 核磁共振的基本原理、驰豫过程、化学位移的表示与测量、自旋偶合与自旋裂分、 NMR谱仪的结构及实验技术、 NMR的分析及其应用
2 电子自旋共振谱的基本原理、ESR谱仪的结构、ESR谱的分析与应用
1945 年12 月,哈佛大学珀塞尔(E. M. Purcell)等人,首先观察到石腊样品中质子的核磁共振吸收信号。1946 年1月,斯坦福大学布洛赫(F. Bloch)在水中也观察到质子的核磁共振信号。两人因此共获1952 年诺贝尔物理奖。
核磁共振经过50多年的发展应用,使得此项技术迅速成为在物理、化学、生物、地质、计量、医学等领域研究的强大工具。高强磁场超导核磁共振仪的发展,灵敏度大大提高。脉冲付里叶变换NMR谱仪问世,极大地推动了NMR技术,使13C、15N、29Si等NMR谱及固体NMR谱得到广泛应用。
核磁共振的发展历史及应用
核磁共振光谱的定义
核磁共振光谱是以频率为兆赫级、低能量的电磁波照射分子,电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用,引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸收信号。核对射频区电磁波的吸收称为核磁共振光谱核磁共振光谱(Nuclear ic Resonance Spectroscopy), 缩写简称NMR。
根据NMR图上吸收峰的位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。
核磁共振基本原理
。
I = 0, P=0, 无自旋,不能产生自旋角动量,不会产生共振信号。
只有当I > 0时,才能发生共振吸收,产生共振信号。
核磁共振基本原理
1、原子核的自旋
原子核由质子和中子组成,与核外电子一样存在自旋。原子核绕轴自身作旋转运动,产生自旋角动量P。
由量子力学计算,P的绝对值由核自旋量子数I决定。I是由实验测定。
一、原子核的磁性
I 的取值
质量数(A) 原子序数(Z) 自旋量子数(I)
奇数奇数或偶数半整数 n + 1/2,n = 0,1,2,…
奇数整数
偶数
偶数 0
例如:
I=1/2: 1H1 13C6 15N7 19F9 31P15

57Fe26 77Se34 195Pt78 199Hg80 …
I=3/2: 7Li3 9Be4 11B5 23Na11 33S16

39K19 63Cu29 65Cu29 35Cl17 37Cl17
79Br35 81Br35 ...
二、核磁在外磁场中的行为
1)核磁与外磁场H0之间的作用能
P是空间量子化的,在直角坐标Z轴上的分量Pz取一些分立的值,因此是不连续的,是空间量子化的。
以1H核为例,无外磁场 H0作用,排列是随机的,磁性相互抵消;加上外磁场H0时, 1H有序排列。排列方式有(2I+1 , I=1/2 )种,即两种取向,分别对应两个自旋量子数mi=1/2。
外磁场 H0与核的作用能 E= H0
两种取向对应两个能级:
当与H0同向时, E= -  H0;
当与H0反向时, E= ﹢H0
能级差公式见P183:11-6
H0
Mi= 
Mi=
E
E2=﹣H0
E1=﹢H0
E
图2 1H 在外磁场中的取向能级