《NMR基本理论》PPT课件.ppt

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1、NMR基础固体高分辨技术动力学NMR第二章NMR基本理论12.1NMR基础NMR现象弛豫矢量模型积算符自旋回波NOE偶极耦合化学位移自旋耦合2NMR：核磁共振(nuclearmagneticresonance，缩写为NMR)是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。3原子核是带正电荷的粒子，原子核的自旋必然导致正电荷在同一轴心圆面上沿同一方向高速旋转，其效果相当于逆向产生了旋转电流。由电磁感应的物理学原理可知，旋转电流（或电场）将会产生磁场，感应磁场的方向与电流的旋转方向有固定的相互关系。因此，原子核

2、的自旋运动使之沿自旋轴方向产生感应磁场，从而显示磁性。自旋运动的原子核具有自旋角动量，同时也具有由于自旋感应产生的核磁矩。4NMR研究的对象为存在自旋运动的原子核，可用自旋量子数(I)表征I取决于原子核的质量数和原子序数质量数原子序数I例子NMR信号电荷分布偶数偶数012C，16O无均匀偶数奇数1,2,3,…2H，14N有不均匀奇数奇数或偶数1/23/2,5/2,…13C，1H，19F，31P，15N有有均匀不均匀1、原子核的磁矩(核磁矩)一、NMR现象5相关物理量自旋角动量P：表述原子核自旋运动特性的矢量参数核磁矩µ：表示自旋核磁性强弱特性的矢量参数自旋量子数I

3、:取决于原子核的质量数和原子序数，用于表征原子核性质时，不仅决定原子核有无自旋角动量，还决定原子核的电荷分布、NMR特性以及原子核在外磁场中能级分裂的数目等等。磁量子数m：表示核自旋取向数，每个自旋取向分别代表原子核的某个特定的能级状态。磁旋比γ：是核磁矩与自旋角动量之间的比例常数，是原子核的一个重要特性常数。6核的自旋角动量（P0）是量子化的，可以表示为：其中I为原子核的自旋量子数，取0，1/2，1，3/2，…等；是一常数，取值h/2π，h是普朗克常数。P0在直角坐标（x）轴上的投影（Pz）可表示为：其中m称为磁量子数，可取-I，-I+1，…，I-1，I等值。几

4、个物理量间的关系自旋量子数为I的原子核，Pz有（2I+1）个数值。也就是说，P0在z轴的分量是量子化的，m可取的最大数值是+I，角动量的最大分量为：如果P用h作单位，可以观测到的角动量的最大分量值为原子核自旋量子数I。7I值用于表征原子核性质时，不仅决定原子核有无自旋角动量，还决定原子核的电荷分布、NMR特性以及原子核在外磁场中能级分裂的数目等等。I为1/2的原子核，核电荷呈均匀的球形对称分布，呈磁各向同性，不具有电四极矩，核磁共振的谱线窄，宜于检测；I＞1/2的原子核，核电荷呈椭球形分布，呈磁各向异性，具有电四极矩，导致核磁共振的谱线加宽，不利于检测。原子核可近

5、似为表面带电荷的球体，绕轴自旋时，产生一个循环电流。该循环电流产生一个磁场，磁场的磁矩（μ）与原子核的角动量成正比：或其中比例常数γ称为磁旋比，对同一原子核而言，γ为常数，γ越大表明其磁性越强，越易检测。核磁矩：8（1）自旋取向：m自旋核在外加H0作用下，发生自旋取向，取向是量子化的自旋取向数=2I+1自旋取向m=I,I-1……,-II=1/2,m=+1/2,-1/22、原子核的进动m=-1/2,高能态取向与H0相反m=+1/2,低能态取向与H0相同9（2）原子核的进动发生自旋取向的原子核，其自旋取向与H0成一定的夹角在H0作用下，核磁矩将进行进动，称为拉莫尔进动

6、(larmorprocession)进动频率：w=H0g/2pBowom10因为能级的跃迁只能发生在相邻能级上，即在Δm=1H0越大，⊿E越大11低能态核向高能态核跃迁，需要一定能量，这个能量由照射体系的电磁辐射供给核磁共振的条件外加射频与拉莫尔进动频率相等时，即u=w发生NMR时，⊿E=⊿E’电磁辐射能：⊿E’=hu核的跃迁能：⊿E=2mH0由上式可知：H0∝uH0(u)↑，DE↑，NMR分辨率提高不同原子核的NMR信号不存在相互混杂的问题∵不同自旋核的m相差较大，若固定H0，发生共振所需要的u差别>>由于结构产生的Du3、核的跃迁与电磁辐射(共振)即：H0=h

7、u/2m或H0=2pu/g12如：在1.4092特斯拉的磁场,各种核的共振频率为：1H60.000MHZ13C15.086MHZ19F56.444MHZ31P24.288MHZ对于1H核，不同的频率对应的磁场强度：射频磁场强度400.9400601.40921002.35002004.70003007.100050011.7500134、核的宏观磁化量m=-1/2,高能态取向与H0相反m=+1/2,低能态取向与H0相同核自旋并不是相等地分布在两个能级α和β上，粒子占有数之比例由Boltzmann方程确定14（1）Boltzmann分布NMR是大量原子核的行为在一定

8、温度下，处