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第三章核磁共振
*1946年Stanford的Bloch和Harvard的Purcell各自独立观察到核磁共振现象,1952年获得诺贝尔物理奖;
*瑞士的Ernst由于在PFT-NMR及2D-NMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖;
*瑞士的Wüthrich第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构,获得2002年诺贝尔化学奖;
*美国的Paul Lauterbur和英国的Peter Mansfield在现代医用核磁共振扫描仪的发展过程中起主要作用获得2003年度诺贝尔医学奖。
核磁共振与诺贝尔奖:
核磁共振氢谱
核磁共振基本原理
核磁共振波谱学(Nuclear ic Resonance (NMR) Spectroscopy)是近几十年发展起来的一门新学科。核磁共振已成为化学、物理、生物、医药等研究领域中必不可少的实验工具,是研究分子结构、构型构象、分子动态等的重要方法。
研究对象:原子核的磁矩在磁场中对电磁波的吸收和发射.
信息:分子的静态结构,化学交换等.
原子核的自旋与自旋角动量
原子核是由质子和中子组成,原子核具有自旋运动,:
. I与原子核的质量数(A),核电荷数(Z)有关.
电子的量子数只能是1/2; 核的自旋量子数随核而异,可为0,.
质量数
电荷数
核自旋量子数I
实例
奇
奇或偶
半整数1/2,3/2,….
1H,13C,19F,31P (I=1/2)
奇
偶
0
12C,16O (I=0)
偶
奇
整数1,2,3…
2H,14N (I=3), 10B(I=3)
其它例子(AAZ): A为奇数、Z为奇数或偶数时,I为半整数。
1H1,13C6,15N7,19F9,31P15 I=1/2;
11B5,33S16,35C117,37C117,81Br35 I=3/2;
17O8,25Mg12,27Al13 I=5/2。
原子核的磁矩
自旋量子数(I)不为0的原子核在作自旋运动时产生磁矩.
式中rN为核的磁旋比, 可由实验测定.
gN为核的朗德因子() , βN为核磁子(×10-24) .
原子核在外加磁场作用下的行为
原子核的磁矩(I0)在外加磁场(H0)中的取向不是任意的,而是沿着H0方向采取一定的量子化取向(见图), 核磁矩在磁场中的取向数可用磁量子数 m 来表示;
m 的取值为I,(I-1),(I-2),…,-I,(核磁矩可有(2I+1)个取向)
因此,原来简并的能级会分裂成(2I+1):
E=-μHH0
H0是外加磁场强度;
μH为磁矩在外磁场方向的分量.
磁矩在外磁场中的分量μH 可表示为:

m 的取值为I,(I-1),(I-2),…,-I,共计(2I+1)个.
因此磁矩在外磁场中量子化能级能量可表示为
分裂能级的能级差△E可用下式表示:
对于1H1,13C6,15N7,19F9,31P15核,
I=1/2,m=±1/2,分裂成两个能级:
分裂的能级差与外加磁场强度有关,当I=1/2时,如所示。
核磁共振定义
1H核在外加磁场H0中发生能级分裂,(电磁波),设射频场的频率为γ射,如果hγ射与1H核量子态间的能级相等时,就会发生共振现象。即:低能态的核(核磁矩)吸收射频场的能量跃迁到高能态。这就是核磁共振。
1H1核磁矩
能量
电磁波
定义:用电磁波照射处于强磁场中的待测物质(原子核),紫外光谱一样,都是吸收光谱.
NMR的电磁波波长位于无线电波范围(10m~100 m),能量小仅引起核在其自旋态能阶之间的跃迁.
电磁波照射分子,,并在某些特定磁场强度处产生强弱不同的吸收信号,以这种原理建立起来的分析方法称核磁共振波谱法.