核磁共振在材料表征上的应用

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1、核磁共振在材料表征上的应用材科1102班05号王林秀摘要：本文概述了核磁共振现象的基本原理，发展及其在材料表征上的应用。关键词：核磁共振（NMR）高分子材料应用进展前言：首先感谢王老师给我们布置的这次作业，这提供给我们一个了解和讨论有关核磁共振方面知识的机会，也让我们知道了抽象的量子力学在材料科学和我们的生活中还是有具体应用的。正文：据估计全世界范围内有大约15000台NMR仪，其中约5000台在医学领域，在资金方面占大部分。然而尽管在其他领域有较大的发展，但大部分NMR（约8000台）仍然应用在分析化学和有机分子的结构研究中，这足以证明：NMR在材料科学领域发挥着重要的作用。

2、核磁共振是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。原理：核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系，大致分为三种情况，如下表。分类质量数原子序数自旋量子数INMR信号I偶数偶数0无II偶数奇数1,2,3，…（I为整数）有III奇数奇数或偶数0.5,1.5，2.5，…（I为半整数）有自旋量子数等于零的原子核有16O

3、，12C，32S,28Si等。实验证明，这些原子核没有自旋现象，因而没有磁矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振来研究。自旋量子数等于1或大于1的原子核：I=3/2的有11B，35Cl，79Br，81Br等；I=5/2的有17O，127I；I=1的有2H，14N等。这类原子核的核电荷分布可看作是一个椭圆形，电荷分布不均匀。它们的共振吸收常会产生复杂情况，目前在核磁共振的研究上应用还很少。自旋量子数I等于1/2的原子核有1H，19F，31P，13C等。这些核可当做一个电荷均匀的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。前面三种原子在自然界的丰度接近10

4、0%，核磁共振容易测定。尤其是氢核（质子），不但易于测定，而且他又是组成有机化合物材料的主要元素之一，因此对于氢核核磁共振的测定，在材料分析中占重要地位。发展：核磁共振波谱（nuclearmagneticresonance，NMR）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。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团，分子构象等），信号强度则往往与有关原子核在样品中存在的量有关。而谈及核磁共振现象的发现可谓是一个神奇的

5、故事：1946年，Bloch知道施加射频能量会使宏观磁化矢量(magnetization)从平行于外加静磁场的平衡位置偏离。根据物理学定律，这个偏离的磁化矢量将在磁场中以某一特定的频率进动(precession)。因此他推论这一进动的磁化矢量有可能在一位置合适的铜线圈中诱导出电信号．电信号的频率皮在射频范围内。Bloch、Hansen和Packard利用水进行实验，结果获得成功，观察到了NMR现象。与此同时，Purcell、Torrey和Pound已经能够直接测定石蜡质子碰矩对射频能的微量吸收。尽管他们的实验与Bloch的迥然不同，但却展示了相同的现象，两种方法有异曲同工之妙。

6、Bloch和Purcell的文章发表时间相差仅几周，有意思的是在此前两人从未谍面，他们同时获得了1952年的诺贝尔物理奖。NMR技术早期的发展是激动人心的，基本原理被阐明，新方法应用被探索出来。碰体结构的均匀性和稳定性使液体中分子的NMR语线宽度相当窄。由于用来检测微弱NMR信号的早期元件受热效应影响不可避免地产生电噪音，所以当时主要的精力放在了电路的设计和构造上。NMR的飞速发展主要应归因于RussellVarian的制造商品化均匀稳定磁体的决策。研究人员可以购买一套基本的NMR系统，虽然需要进行一些调节，但确实免去了从原始部件制造磁体和放大器的麻烦。Bloembergen、

7、Purcell和Pound早期的工作解释了核磁弛豫(relaxation)的概念，弛豫是由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量△E是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回到低能态（如发射光谱那样），简而言之是由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量的过程。它揭示了固体样品比液体样品NMR信号宽几个数量级的原因，液体中分子的快速布朗运动使得核磁偶极唱极相互作用平均为零。随着磁体均匀性的提高，液体中分子的共振线变得越来越窄，因而可以精确地测量共振频率。两项NMR