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核磁共振波谱PPT课件幻灯片.ppt


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第七章核磁共振波谱法
Nuclear ic Resonance Spectroscopy
For Short: NMR
§ 核磁共振基本原理
1. NMR简介
与UV-Vis和红外光谱法类似,NMR也属于吸收光谱,只是研究的对象是处于强磁场中的原子核自旋能级对射频辐射的吸收。
NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequency Radiation)的吸收,它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一,有时亦可进行定量分析。
在强磁场中,原子核发生自旋能级分裂(能级极小:,磁能级差约为2510-3J),当吸收外来电磁辐射(109-1010nm, 4-900MHz)时,将发生核自旋能级的跃迁----产生所谓NMR现象。
射频辐射→原子核(强磁场下能级分裂) →吸收→能级跃迁→NMR
一、概述
测定有机化合物的结构,1H NMR─氢原子的位置、环境以及官能团和C骨架上的H原子相对数目)
2. 发展历史
1924年:Pauli 预言了NMR的基本理论,即:有些核同时具有自旋和磁量子数,这些核在磁场中会发生分裂;
一、核磁共振的产生
1、原子的核磁矩在外磁场空间的量子化
I :自旋量子数; I不为零的核都具有磁矩。
h:普朗克常数;
质量数
原子序数
I
NMR信号
原子核
偶数
偶数
0

12C6 16O8 32S16
奇数
奇或偶数
1/2

1H1 13C6 19F9 15N7 31P15
奇数
奇或偶数
3/2 5/2…

11B5 35Cl17 79Br35 81Br35 17O8 33S16
偶数
奇数
1,2,3

2H1 14N7
根据量子力学的原理,原子核磁矩的大小取决于核的自旋角动量(p):
1946年:Harvard 大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象,并于1952年分享了Nobel奖;
1953年:Varian开始商用仪器开发,并于同年制作了第一台高分辨NMR仪器;
1956年:Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响,而这一影响与物质分子结构有关。
1970年:Fourier(pilsed)-NMR 开始市场化(早期多使用的是连续波NMR 仪器)。
具有自旋角动量(p)的核在自旋时会产生核磁矩(μ) :
μ=γ P
右手定则
γ为磁旋比,不同的核有不同的磁旋比。
当将自旋核置于外加磁场H0中时,根据量子力学原理,由于磁矩与磁场相互作用。磁矩相对于外加磁场有不同的取向,它们在外磁场方向的投影是量子化的,可以用磁量子数(m)描述:
μ
对于具有I、m的核量子化能级的能量为:
H0:外加磁场强度(G-高斯);
β:核磁子(×10--1);
μ:以β为单位的磁旋比.
m=I , I-1 ,I-2,….-I 2I+1个取向
对于具有I=1/2
m=+1/2、-1/2的核:
对于具有I=1
m=1, 0 , -1的核:
μZ
m=0
H0
μ
μZ
m=+1/2
H0
μ
μZ
m=-1/2
H0
μ
μZ
m=+1
H0
μ
μZ
m=-1
H0
μ
E=-μβH0
E=+μβH0
△ E=2μβH0
E=-μβH0
E=+μβH0
△ E=μβH0
△ E=μβH0
对于任何自旋角量子数为 I 的核,其相邻两个能级的能量差:
μ
β

例1;1H1 μH= H0=14092G
2、核磁共振现象的产生
对于自旋角量子数为I的核,其相邻两个能级的能量差:
μ
β

μ
β
例2;13C6 μC= H0=14092G
二、驰豫过程
1、饱和现象
根据波尔兹曼分布定律:μH= H0=14092G
β:核磁子(×10--1) 298K
△ E=2μβH0
n0
吸收电磁辐射
n*
当n0= n*时,就观察不到NMR信号,这种现象称为“饱和”。
2、驰豫
n*
n0
非电磁辐射形式释放能量
驰豫现象是NMR得以保持的必要条件。由于受到核外电子云的屏蔽作用,无法通过碰撞释放能量。
驰豫现象:高能态的核以非辐射形式释放能量,回到低能态,维持n0略大于n*,致使核磁共振信号存在,这种过程称为“驰豫”。
1) 自旋-晶格驰豫(纵向驰豫):分子的各种运动形成许多不同频率的磁场(晶格场);如果其中存在与核能级相同的磁场(晶格场),就可以进行能量转移的驰豫过程。
2) 自旋-自旋驰豫(横向驰豫)同类核具有相同

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  • 时间2018-01-06