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文档介绍：第五章 核磁共振
Nuclear Magnetic Resonance
NMR
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第五章 核磁共振
概述
核磁共振的基本原理
核磁共振氢谱
核的能量稍高，以m = -1/2表征。
在低能态(或高能态)的氢核中，如果有些氢核的磁场与外磁场不完全平行，外磁场就要使它取向于外磁场的方向。
原子核的自旋
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当具有磁矩的核置于外磁场中，它在外磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用。
原子核的运动状态除了自旋外，还要附加一个以外磁场方向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称进动(Precession)或拉摩尔进动(Larmor Precession)。进动时有一定的频率，称拉摩尔频率。
原子核的自旋
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原子核的自旋
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自旋核的角速度0，进动频率0与外加磁场强度H0的关系可用拉尔公式表示：
（5-1）
式中是各种核的特征常数，称磁旋比，各种核有它的固定值，。
原子核的自旋
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m=-1/2的取向由于与外磁场方向相反，能量较m=+1/2者为高，其能量差E为：
由于I =1/2，故
（5-2）
（5-3）
 为自旋核产生的磁矩。
原子核的自旋
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在外磁场作用下，自旋核能级的裂分如图所示。
在外磁场作用下，核自旋能级的裂分示意图
原子核的自旋
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由图可见，当磁场不存在时，I =1/2的原子核对两种可能的磁量子数并不优先选择任何一个，具有简并的能级；
置于外加磁场中，能级发生裂分，其能量差与核磁矩有关(由核的性质决定)，也和外磁场强度有关[式(5-3)]。
因此在磁场中，一个核要从低能态向高能态跃迁，就必须吸收2H0的能量。换言之，核吸收2H0的能量后，便产生共振，此时核由m=+1/2的取向跃迁至m=-1/2的取向。
所以，与吸收光谱相似，为了产生共振，可以用具有一定能量的电磁波照射核。
原子核的自旋
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当电磁波的能量符合下式时，
（5-4）
进动核便与辐射光子相互作用(共振)，体系吸收能量，核由低能态跃迁至高能态。
原子核的自旋
h为普朗克常数。
0 =光子频率=进动频率
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如果与外磁场垂直方向，放置一个射频振荡线圈，产生射电频率的电磁波，使之照射原子核。
当磁场强度为某一数值时，核进动频率与振荡器所产生的旋转磁场频率相等，则原子核与电磁波发生共振。
此时将吸收电磁波的能量而使核跃迁到较高能态 (m=-1/2)，如图所示。
原子核的自旋
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较高能态(m = -1/2)
在外加磁场中电磁辐射(射频)与进动核的相互作用
原子核的自旋
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改写式(5-1)可得，
（5-5）
式(5-5)或式(5-1)是发生核磁共振时的条件，即发生共振时射电频率0与磁场强度H0之间的关系。
原子核的自旋
（5-1）
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讨论：
（1）对于不同的原子核，由于(磁旋比)不同，发生共振的条件不同，即发生共振时的0与H0相对值不同。
在相同的磁场中，不同原子核发生共振时的频率各不相同，根据这一点可以鉴别各种元素及同位素。
例如用核磁共振方法测定重水中的H2O的含量，D2O和H2O的化学性质十分相似，但两者的核磁共振频率却相差极大。
因此核磁共振法是一种十分敏感而准确的方法。
原子核的自旋
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（2） 对于同一种核，值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定；当磁场强度改变时，共振频率也随着改变。
T的磁场中，共振频率为60 MHz， T时，共振频率为100 MHz。
发生共振的频率0与磁旋比和外加磁场有关。
原子核的自旋
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前已述及，当磁场不存在时，I=1/2的原子核对两种可能的磁量子数并不优先选择任何一个。在这类核中，m等于+1/2及-1/2的核的数目完全相等。