固体核磁共振波谱基本理论19年3月课件.ppt

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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