（朱清仁教授版）核磁共振基础原理ppt课件.ppt

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1、核磁共振基础原理中国科技大学理化科学中心朱清仁教授2004年8月孤立原子核（I=1/2）的自旋由质子+中子组成，正电荷分布在表面I>1/2的核呈非球形分布，例如椭球形或叫四极矩核。1、基本概念A、原子核的磁矩与核自旋（自旋量子数I）：原子核具有自旋运动。核电荷为正，由电磁学产生磁场，可以拟作磁针看待，是一个矢量B、核自旋，由力学可知，在磁场中具有自旋角动量表达式是量子化的（即空间量子化取向）C、与的关系：定义为常数，叫旋磁比（又叫磁旋比）。与性质有关，是某核－类同位素的特征常数，可以查表。D、与电子自旋比

2、较：（可叫核磁子），（电子波尔磁子）电子总磁矩，其中。一般只有自旋磁矩。因此，核自旋比电子自旋小1840倍。所以，从这一点可以看出，核磁共振灵敏度能级差要比ESR小1000倍。E、中子具有磁矩，但不能用此来定义，因为它不带电荷。应根据中子磁矩在磁场中的受力作用来定义,并以此来测量。不能从关系式求各核的磁矩，只能通过NMR（NuclearMagneticResonance)技术来精确测定出来。能显示出核磁共振现象的同位素核叫NMR核。只有当的一类同位素核才能有NMR效应，叫NMR核。奇偶规则：如果上述各对参

3、数均为偶数时，I＝0，叫“偶偶无NMR”。2、NMR核的判别规则质量数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1/2，3/2，5/231P151H111B515N719F9偶数奇数奇数1，2，3……2H1（2D）10B514N7自然界共有约一百三四十种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。如1H，13C，19F，31P

4、，3He，129Xe等等。I>1/2的核是椭球形的，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，实验上要注意。3、塞曼（Zeeman）能级的核在外磁场中（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

5、下，轴绕以一定角速度进动，于是角动量在Z轴的投影JZ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。定义：在无磁场时，这些基态能级是简并的；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B0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>04、平衡态与玻尔兹曼分布（Bolt

6、zmann）①、在磁场下的Zeeman分裂能级上，I＝1/2的两种能态上的粒子几率分布符合Boltamann分布若磁场强度Ho＝1.4092T（1T＝104G），T＝298K，则即在室温下，处于低能态（＋1/2）的核数只比高能态高出约百万分之十，仅相当于1mol水上升1oC所需能量的1/600稍多一点。但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。②、核弛豫当不断供给能量，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

7、，必须存在一种机制，使体系维持nl>nh，即不断回复到平衡态，以维持低能态粒子数有过量的占有数，这一过程叫核弛豫。核弛豫途径分为两种：a.自旋－晶格弛豫（核环境因素），与T1有关；b.自旋－自旋弛豫（核自旋内部之间交换能量），与T2有关。5、描述核磁共振理论或共振条件的方法①、根据文献，目前通常有两种描述方法。核自旋产生的核磁矩在磁场方向（Z轴）取向是不连续的，是量子化取向，如I＝1/2的核，Iz的取值为－1/2,+1/2两个态，可见在量子力学矢量空间（又叫希伯特（Hilbert）空间）处理是严密的。通常

8、将两相反的矢量用两个Dirac符号，即基矢∣1/2>、∣－1/2>表示（又称为右矢，自旋算符）。自旋态不能任意取向，所以用上述的∣1/2>、∣－1/2>展开，系数分别为a、b，则可得到态矢量＝a∣1/2>＋b∣－1/2>A、量子力学矢量空间描述，用自旋算符∣I>、∣－I>当自旋轴与量子化Z轴之间的夹角为θ时，这种展开又叫态的叠加。但量子力学矢量空间的两个矢量∣1/2>、∣－1/2>是相互正交的。在Bloch三维空间中，这两个矢