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一、原子核的自旋
核磁子=eh/2M c;自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩,
核磁矩:
讨论:
(1) I=0 的原子核 16 O; 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。
H
0
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
r
m=1/2
m= -1/2
H
0
H
E2=+ m H0
E= E2 - E1 = 2m H0
E1=- m H0
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,=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
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
(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:
T;25C;1H的共振频率与分配比:
两能级上核数目差:10-5;
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:
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): T 共振频率 60 MHz
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。