核磁共振光谱基本原理.docx

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1、论文题目：核磁共振光谱基本原理论文要求：核磁共振光谱技术拥有广泛的应用及广阔的前景。简要概述核磁共振光谱技术及其发展，要求内容充实，论述详细透彻，不少于1000字。教师评语：教师签字：年月日论文题目：核磁共振光谱基本原理1核磁共振的机理核磁共振是材料分子结构表征中最有用的一种仪器测试方法之一。用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度，就得到核磁共振谱。1.1原子核的自旋原子是由原子核与电子组成，而质子和中子又组成原子核。原子核具有质量并带有电荷。某些原子核能绕轴做自旋运动，各自

2、有它的自旋量子数Ⅰ，自旋量子数有0、1/2、1、3/2…等值。Ⅰ=0意味着原子核没有自旋。每个质子和中子都有其自身的自旋，自旋量子数Ⅰ是这些自旋的合量，即与原子核的质量数和原子序数有关，若原子核的原子序数和质量数均为偶数时，Ⅰ为零，原子核无自旋，如12C、16O原子，他们没有NMR信号。若原子序数为奇数或偶数、质量数为奇数时，Ⅰ为半整数，原子序数为奇数、质量数为偶数时，Ⅰ为整数，如表1-1所示。表1-1原子核的自旋量子数原子序数质量数Ⅰ实例偶偶012C16O8偶、奇奇半整数13C617O8奇偶整数2H110B51.2原子核的磁矩与自旋角动量原子核在围绕核轴

3、做自旋运动时，由于原子核自身带有电荷，因此沿核轴方向产生一个磁场，而使核具有磁矩μ，μ的大小与自旋角动量（P）有关，它们之间关系的的数学表达式为:μ=νp式中，ν为磁旋比，是核的特征常数。依据量子力学原理，自旋角动量是量子化的，其状态是由核的自旋量子数Ⅰ所决定，P的绝对值为P=ｈ/2p［Ⅰ(Ⅰ+1)］1/2其中h为普朗克常量。1.3磁场中核的自旋的能量在一般的情况下，自选的磁矩可以任意取向，但是当把自旋的原子核放入外加磁场（Ho）中，除自旋外，原子核还将绕Ho运动，由于磁矩与磁场的相互作用，核磁矩的取向是量子化的。核磁矩的取向数可用磁量子数m来表示，m=I

4、、I-1、I-2、…、-（I-1）、-I，共有2I+1个能级。每个能级的能量E=-μHHoHO为外加磁场强度，μH为磁矩在外磁场方向的分量，μH=gmh/2p,所以E=-gmh/2pHo由于自旋核在外磁场中有（2I+1）个能级，这说明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的，不同能级之间的能量差为△E。根据量子力学选率，只有△m=±1的跃迁才是允许的，则相邻能级之间跃迁的能极差为△E=g△mh/2pHo1.4核磁共振的产生1.4.1拉莫尔进动如图3-1所示，在外加磁场Ho中，自旋核绕自旋轴旋转，而自旋轴与磁场Ho又以特定夹角绕Ho旋转，类似一陀螺在重力场中运

5、动，这样的运动称为拉莫尔进动。进动频率（又称拉莫尔频率）由下式算出Wo=2pn0=gH0而自旋角动量是量子化的，其在磁场方向的分量Pz和磁量子数（m）关系为Pz=mh/2p,因为m共有2I+1个值，与此相应，Pz也有2I+1个值，与此相对应自旋核在z轴上的磁矩：μz=gPz=gmh/2p则μ与Ho相互作用能量E=-μzHo将格式代入其中得：E=-gmh/2pμ因m是量子化的，所以E值也是量子化的。这说明自旋样在磁场中的能量同样是量子化的。1.4.2核磁共振的产生根据上式可知，在外加磁场中，自旋的原子核具有不同的能级，如用一定频率n的电磁波照射样品，并使n=

6、n0，即hn=△E=gh/2pHo时，原子核即可进行能级之间的跃迁，产生核磁共振吸收，得到核磁共振波谱。而n=△E/h=gHo/2p此即是产生核磁共振的条件。2核磁共振与化学位移2.1化学位移由产生核磁共振的条件可知，自旋的原子核，应该有一个共振频率n。例如，在H核的NMR中，由于它们的磁旋比是一定的，因此，在外加磁场中，所有的质子的共振频率应该是一定的，如果这样，NMR对分子结构的测定就毫无意义。事实上，在实际测定化合物中处于不同环境的质子时发现，同类磁核往往出现不同的共振频率。这主要是由于这些质子各自所处的化学环境不同而造成的。核周围的电子云的密度受外

7、磁场的作用，产生一个与Ho方向相反的感应磁场，使外加磁场对原子核的作用减弱，实际上原子核感受的磁场强度为：H=（1-s）H0式中s称为屏蔽常数，是核外电子云对原子核屏蔽的量度，对分子来说是特定原子核所处的化学环境的反应。那么，在外加磁场的作用下的原子核的共振频率为n0=[g/(2p)]（1-s）H0因此，分子中相同的原子核，由于所处的化学环境不同，s不同，其共振频率也不相同，也就是说共振频率发生了变化。一般的，在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。2.2化学位移的表示方法

8、由于屏蔽效应而引起的共振频率的变化是极小的，按通常的表示方法表示化