文档介绍：核磁共振波谱分析
内容
一、核磁共振的基本原理
二、核磁共振波谱仪的原理及组成
三、波谱仪的实验操作方法
四、化学位移和核磁共振波谱图
五、核磁共振技术的应用进展
一、核磁共振的基本原理
1、原子核的磁矩
由于原子核是具有一定质量的带正电的粒子,
故在自旋时会产生核磁矩:μ= P
磁旋比,即核磁矩与自旋角动量的比值,不同的核具有不同的磁旋比,它是磁核一个特征(固定)值。
p 角动量,其值是量子化的,可以用自旋量子数表示
P = [I(I+1)]1/2
h 为普朗克常数
I 为自旋量子数,与原子的质量数及原子序数有关
表1 各种核自旋量子数
质量数 A
原子序数 Z
自旋量子数 I
NMR信号
原子核
偶数
偶数
0
无
奇数
奇或偶数
有
奇数
奇或偶数
有
偶数
奇数
1 , 2 , 3
有
当I=0时,P=0,原子核没有磁矩,没有自旋现象;当I>0时,P≠0,原子核磁矩不等于0,有自旋现象。
I=½的原子核在自旋过程中核外电子云呈均匀的球型分布,核磁共振谱线较窄,最适宜核磁共振检测,是NMR主要研究对象。
I>½的原子核,自旋过程中电荷在核表面非均匀分布,核磁信号很复杂。
μ= P
2、自旋核在磁场中的取向数、能级和回旋
(1)自旋取向数
自旋核在外加磁场中的自旋取向数不是任意的,可按下式计算:
自旋取向数=2 I+1
以H核为例,因为I=1/2,故在
外加磁场中,自旋取向数=2(1/2)+1=2
即有两个且自旋相反的取向,其中一个
取向磁矩与外加磁场B0一致;另一个取
向磁矩与外加磁场B0相反。
(2)自旋核能级
每个自旋取向将分别代表原子核的某个特定的能量状态,并可用磁量子数(m)表示,它是不连续的量子化能级。m取值可由-I 、0、+I决定。
以H核为例,当自旋取向与外加磁场一致时(m=+1/2),H核处于一种低能级状态(E1=-μB0);相反时(m=-1/2),H核处于一种高能级状态(E2=+μB0)。两种取向间的能级差,用△E表示:
△E=E2-E1=+μB0-(-μB0)=2μB0
μ为H核磁矩;B0为外加磁场强度。
上式表明,氢核由低能级E1向高能级E2跃迁时所需要的能量△E与外加磁场强度B0及氢核磁矩μ成正比。
△E=2μB0
(3)核的回旋
当原子核的核磁矩处于外加磁场B0中,由于核自身的旋转,而外加磁场又力求它取向与磁场方向,在这两种力的作用下,核会在自旋的同时绕外磁场的方向进行回旋,这种运动称为Larmor进动。
Larmor方程式: v=(γ/2π)B0
v 为回旋频率;γ为旋磁比
表明回旋频率与外加磁场成正比。当B0增加时,其回旋频率也增加
3、核磁共振
核从低能级跃迁到高能级需要能量,通常这个能量由电磁辐射提供,电磁波的能量为: E射=hv射
当电磁波的频率v射与该核回旋频率v回相等时,电磁波的能量就会被吸收,核的自旋取向就会从低能态跃迁到高能态,即发生核磁共振。此外E射=△E。
发生核磁共振的条件:
△E=hv回=hv射=(hγ/2π)B0
即 v回= v射=(γ/2π)B0