第15章核磁共振波谱法ppt课件.ppt

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1、第15章核磁共振波谱法(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR)15.1NMR简介15.2NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述二.能级分布与弛豫过程三.化学位移与自旋-自旋分裂15.3NMR仪器及组成一.仪器分类二.仪器组成15.4核磁共振波谱法的应用1.一般认识NMR是研究处于磁场中的原子核对射频辐射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。15.1NMR简介在强磁场中，原子核发生能级分裂(能级极小

2、：在1.41T磁场中，磁能级差约为0.025J)，当吸收外来电磁辐射(109~1010nm,4~900MHz)时，将发生核能级的跃迁----产生所谓NMR现象。射频辐射——原子核(强磁场下能级分裂)——吸收──能级跃迁──NMR与UV-Vis和红外光谱法类似，NMR也属于吸收光谱，只是研究的对象是处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。2.发展历史1924年：Pauli预言了NMR的基本理论，即，有些核同时具有自旋和磁量子数，这些核在磁场中会发生分裂；1946年：Harvard大学的Purcel和Stanford大学的Bloch各自首次发现并证实NMR现象

3、，并于1952年分享了Nobel奖；1953年：美国Varian（瓦里安）开始商用仪器开发，并于同年制作了第一台高分辨NMR仪；1956年：Knight发现元素所处的化学环境对NMR信号有影响，而这一影响与物质分子结构有关。1970年：PulsedFourierTransform(PFT)-NMR开始市场化（早期多使用的是连续波NMR仪器）。1991年：瑞士化学家richardRErnstK开发研制了高分辨率核磁共振仪技术获得诺贝尔奖。15.2NMR基本原理一.原子核能级的分裂及其描述1.原子核之量子力学模型原子核自旋自旋磁场磁矩(沿自旋轴方向)。磁矩

4、的大小与磁场方向的角动量P有关：（为磁旋比）每种核有其固定值（H核为2.68×108T-1s-1)。其中，其中h为Planck常数(6.62410-27erg.s)；I为自旋量子数。上面公式表明I相同的核角动量相同，但磁矩不同。I=0，P=0，核无自旋现象。对于I≠0的核处于磁场中，核磁矩的取向有m=2I+1个，m称磁量子数，取值范围是：I，I-1，I-2…,-I。一个自旋核在外磁场中有2I+1个取向，每种取向对应一个能级。由于磁矩的取向不同，决定了其能级的不同。量子力学证明，每个能级对应的能量是：B0是以T为单位的外加磁场强度，β是一个常数，称

5、为核磁子，等于5.049×10-27J·T-1;μ是以核磁子β为单位表示的核磁矩，对于质子为2.792β。对氢核来说，I=1/2，其m值只能有21/2+1=2个取向：+1/2和-1/2。也即表示H核在磁场中，自旋轴只有两种取向：↑与外加磁场方向相同，m=+1/2，磁能级较低与外加磁场方向相反，m=-1/2，磁能级较高两个能级的能量分别为：两式相减：又因为，所以，即，B0的单位为特斯拉(T,Kgs-2A-1),也就是说，当外来射频辐射的频率满足上式时就会引起能级跃迁并产生吸收。2.几点说明a)并非所有的核都有自旋，或者说，并非所有的核会在外加磁场中发生能

6、级分裂！当核的质子数Z和中子数N均为偶数时，I=0或P=0，该原子核将没有自旋现象发生。如12C，16O，32S等核没有自旋。b)当Z和N均为奇数时，I=整数，P0，该类核有自旋，但NMR复杂，通常不用于NMR分析。如2H，14N等。c)当Z和N互为奇偶时，I=半整数，P0，可以用于NMR分析，如1H，13C。二.能级分布与弛豫过程(RelaxationProcess)1.核能级分布在一定温度且无外加射频辐射条件下，原子核处在高、低能级的数目达到热力学平衡，原子核在两种能级上的分布应满足Boltzmann分布：通过计算，在常温下，1H处于B0为2.3

7、488T的磁场中，位于高、低能级上的1H核数目之比为0.999984。即：处于低能级的核数目仅比高能级的核数目多出16/1,000,000！当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等—饱和—从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同—体系净吸收为0—共振信号消失！幸运的是，上述“饱和”情况并未发生！例1：计算在25oC时，样品在4.69T磁场中，其处于高、低磁能级原子核的相对个数。例2：许多现代NMR仪器所使用的磁场强度为4.69T。请问在此磁场中，氢核可吸收

8、多大频率的辐射？2.弛豫何为弛豫？处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回