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时间:2020-09-07
《固体核磁共振波谱基本理论19年3月课件.ppt》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、固体核磁共振波谱基本理论**2019.03.24定义:核磁共振(NuclearMagneticResonance,简写为NMR),是指核自旋量子数不为零的核,在外磁场的作用下,核自旋能级发生塞曼分裂(ZeemanSplitting),共振吸收某一特定频率的射频辐射(射频磁场)的物理过程。原理:具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩;置于外磁场中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场;与外磁场同向和反向的磁矢量符合Boltzmann分布,使得原来简并的能级分裂成不同的能级状态。如果用适当频率的电磁辐射(RF)照射就
2、可观察到核自旋能级的跃迁。在弛豫过程中,宏观磁化强度矢量从Z-轴转到X或Y轴上。通过接受器,傅立叶转换就得到核磁共振谱图。MB0B0MRF脉冲接收器FTS(t)S(w)FIDB0M3个要素,2个物理过程0、基本概念自旋磁矩——原子核自旋运动产生的微观磁场—磁旋比(旋磁比),磁矩与角动量之比(可查表)Zeeman作用能——磁矩与磁场相互作用的能量—为外加磁场核自旋(spin)——自旋角动量I为自旋量子数;为一矢量,大小方向为自旋轴方向A、自旋角动量P是量子化的,在空间取一系列分立值。一般考察其在磁场方向的投影,取值如下:共有(2I+1)个值,对应
3、(2I+1)个空间磁矩取向和能量状态B、与电子自旋比较:由于电子质量比质子(中子)质量要小1840倍,所以核自旋比电子自旋小1840倍。所以,从这一点可以看出,核磁共振灵敏度要比ESR小1000多倍.磁旋比是原子核固有的性质,对同位素同样敏感能显示出核磁共振现象的原子核叫NMR核,只有当的一类原子核才能有NMR效应。奇偶规则:1、NMR核的判别规则—核自旋量子数不为零质量数A质子数Z中子数NI例子偶数偶数偶数012C616O832S164Ne220Ne10奇数偶数奇数1/2,,3/2,5/21n03He213C617O8奇数奇数偶数1/2,3/
4、2,5/21H111B515N719F931P15偶数奇数奇数1,2,3……2H1(2D)10B514N7凡是质量数和原子序数之一为奇数的核,I均不为零,才会产生核磁共振吸收如果上述各对参数均为偶数时,I=0,叫“偶偶无NMR”自然界共有约一百多种(~110)NMR核。I=1/2的核是球对称的,无电四极矩,对NMR特别重要,容易得到高分辨NMR谱和高质量的MR图像,是NMR的主要研究对象。如1H,13C,19F,31P,3He,129Xe等等。I>1/2的核是椭球形的(~77个),有电四极矩,因为电四极矩与电场梯度相互作用相当强,对NMR干扰相
5、当大,从而使NMR信号观察要困难得多。如23Na自旋I=3/2,对人体成像也是常用的核MostAbundantNuclei:Spin1/2HHalf-integerSpinHeLiBeIntegerSpinBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuThPaUNpPuAmCmB
6、kCfEsFmMdNoLw发展的最成熟应用最广泛的是H谱。原子核的自旋形状2、外磁场与Zeeman分裂—Zeeman能级唯象描述的核在外磁场中(也可以是交变场),在理论讨论时,一般视为静磁场Ho(方向取Z轴),则的NMR核的磁矩受到一个力矩从经典电动力学原理,应转向与平行的方向,使其势能最低理论描述微观粒子必须遵守量子力学规律,的方向不是完全与平行,而是呈一夹角θ,自旋受磁场恒力作用,在此力矩作用下,绕轴以一定角速度进动,于是角动量在Z轴的投影PZ是量子化的这样在Z轴上的投影也对应有(2I+1)个取值,相应于(2I+1)个能级。在无磁场时,这些
7、基态能级是简并的;有磁场时,简并就被解除,产生不同的能级。这种能级分裂的现象叫做Zeeman分裂,这种磁能级叫Zeeman能级。Zeeman能级特点:①能级间是等间距的;②能级差△E值为核磁矩绕的进动模式图核自旋I=1/2和3/2在外场H0方向的投影(a)Zeeman磁能级;(b)自旋磁矩相对于外场B0的取向。这里>0m值标反了以I=1/2的原子核为例:(1)处于低能态(+1/2)的核数比高能态高(-1/2)约百万分之六十,相差非常小(2)正是这一种平衡态的维持,才能导致有净的能量吸收的可能性,所以保持这一平衡态很重要(一)平衡态(二)核弛豫当
8、不断供给能量,核自旋体系吸收后,高能态核粒子数大于低能态数,偏离平衡态,不能有NMR吸收,这时叫“饱和”。因此,必须存在一种机制,使体系维持nl>nh
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