第三章 核磁共振谱氢.pptx

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§ 核磁共振基本原理
一、原子核的磁矩
若原子核存在自旋,产生核磁矩。
原子核是带正电荷的粒子,和电子一样有自旋现象,因而具有自旋角动量以及相应的自旋量子数。
由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子,故在自旋时会产生核磁矩。
核磁矩和角动量都是矢量,它们的方向相互平行,且磁矩与角动量成正比,即
μ= γ p 式中:γ为旋磁比
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p为角动量,其值是量子化的,可用自旋量子数表示p为角动量,其值是量子化的,可用自旋量子数表


式中:h为普郎克常数(×10−34J·s);I为自旋量子数,与原子的质量数及原子序数有关。
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自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系
质量数A 原子序数Z 自旋量子数 INMR信号原子核
偶数偶数 0 无 12C6 16O832S16
奇数奇或偶数 1/2 有 1H113C619F915N731P15
奇数奇或偶数 3/2,5/2 …有 17O8,33S16
偶数奇数 1,2,3 有 2H1,14N7
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当I=0时,p=0,原子核没有磁矩,没有自旋现象;
当I>0时,p≠ 0,原子核磁矩不为零,有自旋现象。
I=1/2的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布,见图(b)核磁共振谱线较窄,最适宜核磁共振检测,是NMR主要的研究对象。
I>1/2的原子核,自旋过程中电荷在核表面非均匀分布
图原子核的自旋形状
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有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信号,且自旋量子数均为1/2,核磁共振信号相对简单,已广泛用于有机化合物的结构测定
然而,核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰度和旋磁比的立方成正比的,%,19F和31P的丰度均为100%,
因此,它们的共振信号较强,容易测定,%,很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下,它们的共振信号都很弱,必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有用的信息。
二、自旋核在磁场中的取向和能级
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;
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m
=
1
2
+
m
=
1
2
m
=
1
+
m
=
1
m
=
0
E
E
H
1
1
N
7
1
4
B0
B0
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上图中自旋取向与外加磁场一致时(m =+1/2),氢核处于一种低能级状态(E =-μB0);
相反(m=-1/2)氢核处于一种高能级状态(E=+μB0)
两种取向间的能级差,可用ΔE来表示:
ΔE = E2-E1 =+μB0-(-μB0) = 2μB0
式中:μ为氢核磁矩;B0为外加磁场强度
上式表明:氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时需要的能量ΔE与外加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比
三、核的回旋和核磁共振
当原子核的核磁矩处于外加磁场B0 中,由于核自身的旋转,而外加磁场又力求它取向于磁场方向,在这两种力的作用下,核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋,这种运动称为Larmor进动。