核磁共振光谱在结构分析中的应用.doc

核磁共振光谱在结构分析中的应用
海南大学硕士研究生2010 —2011 学年度第 2 学期
课程考试论文
学院(中心、所): 材料与化工专业: 材料学
研究方向高分子材料班级 10级材料学
学生姓名周宇学生证号 10080502210008
课程名称: 聚合物结构分析
(以上由学生填写)
教师评阅:
阅卷教师(签名): 年月日
1 核磁共振的机理
核磁共振是材料分子结构表征中最有用的一种仪器测试方法之一。用一定频率的电磁波对样品进行照射,可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁,在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度,就得到核磁共振谱。
原子是由原子核与电子组成,而质子和中子又组成原子核。原子核具有质量并带有电荷。某些原子核能绕轴做自旋运动,各自有它的自旋量子数Ⅰ,自旋量子数有0、1/2、1、3/2?等值。Ⅰ=0意味着原子核没有自旋。每个质子和中子都有其自身的自旋,自旋量子数Ⅰ是这些自旋的合量,即与原子核的质量数和原子序数有关,若原子核的原子序数和质量数均为偶数时
,Ⅰ为零,原子核无自旋,如12C、16O原子,他们没有NMR
信号。若原子序数
为奇数或偶数、质量数为奇数时,Ⅰ为半整数,原子序数为奇数、质量数为偶数时,Ⅰ为整数,如表1-1所示。
表1-1 原子核的自旋量子数

原子核在围绕核轴做自旋运动时,由于原子核自身带有电荷,因此沿核轴方向产生一个磁场,而使核具有磁矩μ,μ的大小与自旋角动量(P)有关,它们之间关系的的数学表达式为:
μ=νp
式中,ν为磁旋比,是核的特征常数。
依据量子力学原理,自旋角动量是量子化的,其状态是由核的自旋量子数Ⅰ所决定,P的绝对值为
P=h/2 [Ⅰ(Ⅰ+1)]1/2
其中h为普朗克常量。
在一般的情况下,自选的磁矩可以任意取向,但是当把自旋的原子核放入外加磁场(Ho)中,除自旋外,原子核还将绕Ho运动,由于磁矩与磁场的相互作用,核磁矩的取向是量子化的。核磁矩的取向数可用磁量子数m来表示,m=I、I-1、I-2、?、-(I-1)、-I,共有2I+1个能级。每个能级的能量
E=-μHHo
HO为外加磁场强度,μH为磁矩在外磁场方向的分量,μH=γmh/2π,所以
E=-γmh/2πHo
由于自旋核在外磁场中有(2I+1)个能级,这说明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的,不同能级之间的能量差为△E。根据量子力学选率,只有△m=±1的跃迁才是允许的,则相邻能级之间跃迁的能极差为
△E=γ△mh/2πHo


如图3-1所示,在外加磁场Ho中,自旋核绕自旋轴旋转,而自旋轴与磁场Ho又以特定夹角绕Ho旋转,类似一陀螺在重力场中运动,这样的运动称为拉莫尔进动。进动频率(又称拉莫尔频率)由下式算出
Wo=2πν0=γ H0
而自旋角动量是量子化的,其在磁场方向的分量Pz和磁量子数(m)关系为Pz=mh/2π,因为m共有2I+1个值,与此相应,Pz也有2I+1个值,与此相对应自旋核在z轴上的磁矩:
μz=γPz=γmh/2π
则μ与Ho相互作用能量
E=-μzH