文档介绍：第四章核磁共振波谱法
核磁共振谱(nuclear ic resonance 缩写为NMR)
用波长为10~100m(频率相当于MHz数量级)的电磁波照射样品,这样波长的电磁波能够与放置在磁场中一定数量样品的原子核相互作用,发生核磁共振跃迁,记录其共振跃迁讯号位置和强度,就是核磁共振波谱。
核磁共振技术是1946年由美国哈佛大学的物理学家波塞尔()和美国斯坦福大学的物理学家布洛赫()创始的,他们荣获了1952年的Nobel物理奖。目前,该技术已广泛地应用于分子生物学、天然有机化学、合成有机化学、石油化工、医药等各个领域。尤其在有机化学方面,NMR为人们提供有关分子结构、分子构型、分子运动等多种信息,所以NMR波谱已成为研究有机分子微观结构不可缺少的工具。
§ 核磁共振基本原理
处在外磁场中的自旋原子核会进行能级分裂,如果原子核吸收一定的能量,从低能级跃迁到高能级,这时产生的波谱称为核磁共振波谱。
一、原子核的自旋与磁矩
带电荷的质点自旋会产生磁场,磁场具有方向性,可用磁矩表示。
原子核作为带电荷的质点,它的自旋可以产生磁矩,但并非所有原子核的自旋都具有磁矩,实验证明,只有那些原子序数或质量数为奇数的原子核自旋才具有磁矩
能够产生磁矩的自旋原子核才能产生NMR讯号
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I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:
分类
质量数
原子序数
自旋量子数
NMR讯号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
偶数
偶数
偶数
0(如:12C,16O, 32S )
无
奇数
奇数
奇数或偶数
有
有
1,2,3…(I为整数)( 如:2H, 10B, 14N )
1/2,3/2,5/2,…(I为半整数)(如: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P )
I为0的原子核可以看作是一种非自旋的球体;
I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均匀的自旋球体;
I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布不均匀的自旋椭圆体。
即自旋量子数I≠0的原子核的自旋具有磁矩,能够产生NMR讯号
二、原子核在磁场中的行为
自旋能产生磁矩的原子核(磁性核)在没有外磁场时,自旋磁矩取向是混乱的,但在外磁场中,其取向有一定的定向排列(是量子化的) 。
原子核在无外磁场中的运动情况
1H自旋核在外磁场中的两种取向示意图
因核的取向是量子化的,因此,核磁矩在外磁场中的能量也是量子化的。这些不连续的能量值称为原子核的能级。
例如:对1H核来说,I=1/2,则有m=+1/2和m=-1/2两种取向,则代表两个不同能级;对2H来说,I=1,则有m=+1、m=0和m=-1三两种取向,代表三个不同能级;而当I=3/2时(如: 11B ),则有m=+3/2、+1/2 、-1/2 和m=- 3/2四两种取向,代表四个不同能级,因此,在外磁场中,自旋核的能级进行了裂分。
原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态
每一个取向都可以用一个自旋磁量子数m来表示,m与I之间的关系是: m=I, I-1, I-2, ……, -I 共有(2I+1)个取向
μx=1/2γh
μx=-1/2γh
B0
I=1/2
B0
μx=γh
μx=0
μx= -γh
B0
I=1
μx=1/2γh
μx=3/2γh
μx= -1/2γh
μx= - 3/2γh
B0
I=3/2
核磁矩在外磁场中的取向
E
E-1/2
E+1/2
△E
m=-1/2
m=+1/2
E
E-1/2
E+1/2
△E
m=-1/2
m=+1/2
m=-3/2
m=+3/2
E-3/2
E+3/2
E
E-1
E0
△E
m=-1
m=+1
m=0
△E
△E
△E
核磁矩在外磁场中的能级图
I=1/2
I=1
I=3/2
由图可见:核磁矩在磁场中的能级的数目取决于核自旋量子数I,能级总
数为(2I+1);
m为正值的那些状态,核磁矩与外磁场方向同向,为低能态;
m为负值的那些状态,核磁矩与外磁场方向相反,为高能态;
E+1