核磁共振氢谱和碳谱

电磁波的能量（ h?）等于核能级差△ E就会有NMR
（核自旋发生倒转）。
?E
?
??h 2?
HO
?
h?
(电磁波频率 )
?
?
? 2?
HO,
?o ?
? 2?
H O，?
??o
共振条件
(1) 核有自旋 ( 磁性核)
(2) 外磁场，能级裂分 ;
(3)
照射频率与进动频率相等
?0
?
? 2?
H0
(4) 符合跃迁选律： ? m ? ?1(只能发生在相邻能 )
§4.2 核磁共振仪 1、永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之一，扫场线圈。 2、射频振荡线圈：线圈垂直于外磁场，发射一定 频率的电磁辐射信号。主要发射 60MH或z 100MH。z 3、射频信号接受线圈（检测器）：当氢核的进动 频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能 量，在感应线圈中产生毫伏级信号。
E
?
? ?zH 0
?
ห้องสมุดไป่ตู้
? m?
h
2?
H0
1H :
E1
?
?
1 2
?
h
2?
H0,
E? 1
?
?
1 2
?
h
2?
H0
2
2
?E
?
?
h
2?
H0
由核能级分裂现象说明，高场强（外磁场强度大） 的仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。
4.1.2 原子核的磁共振吸收 1、原子核的进动
当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴 旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中 时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，使自旋
（1）对同一种核 , ?为定值, H 0变则射频频率 ?变。
1H：1.409 T 共振频率为 60MHz 2.3488T 共振频率为 100MHz
（2）不同原子核 , ?不同产生共振条件不同 , 需要 磁场强度 H0和射频频率 ?不同。
（3）固定 H0，改变 ? （扫频），不同核在不同频率 处发生共振产生吸收。也可固定 ?，改变H0（扫场） 不同核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。
? 11.72T
4.1.3 原子核磁能级上粒子的分布 不同能级上分布核数目可由 Boltzmann定律计算：
Ni Nj
?
exp???? ?
Ei ? E j kT
???? ?
exp ?? ? ?
? E ?? ? kT ?
exp ?? ? ?
h? ??
kT ?
磁场强度 2.3488T；25?C；1H的共振频率与分配比
例：计算在 2.3488T磁场中， 1H的共振频率。
? ?? 0 ? 2
H0
?
2.67519 ? 108 ? 2.3488 (T ?1 ?s?1 ?T) 2 ? 3.14
?
100MH
例：计算 1H共振频率为 500MH所z 需要的Ho。
H0
?
2? ?
?
?
2? 3.14 ? 500? 106 2.67519 ? 108
自旋轴
右手法则
2、原子核自旋能级分裂 （1）核磁矩的取向 ：当核置于 外磁场H0中时，相 对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用 m （磁量子数） 表示, 取值范围为 I ，I-1 ，…， -I 共 （2I+1）种取向。 核磁矩在外磁场空间的取向不 是任意的，是量子化的 。这种现象称为核磁矩的空 间量子化。
轴与外磁场保持一夹角 θ 的回旋( 摇头旋转），这
种回旋称为核的进动 。进动频率 ?o 与外加磁场关
系可用 Larmor 方程表示：ω ( 角速度) =2π?o=γ HO
轴 旋 回
?0
?
? 2?
H0
2、核磁共振吸收条件 在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高 能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生
I=3/2：11B5，35Cl 17，79Br35， I=5/2：17O8，127I
这类原子的 核电荷分布呈现球体 分布，核电荷 分布 均匀, 并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的 核磁共振波谱图简单明了。 自旋量子数 I=1/2原子 核是核磁共振研究的主要内容 。例如1H核可看作核 电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产 生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。
z
z
z
m =1/2
m =1
m =2
H0
m=1
m=0
m=0
m= -1
m=-1/2
m= -1
m= -2
I = 1/2
I =1
I =2
（2）核磁矩在外加磁场（ Z轴）上的分量 μ z取决于
角动量在该轴上的分量（ Pz），且
Pz
?
m
h
2?
Pz 的取值与 m有关，只能取不连续的数值。
由μ z=γ
×Pz
知，
? ?? 共振频率
? 2
H0
?
2.67519 ? 108 ? 2.3488 2 ? 3.24
?
100.00M
Ni Nj
?
exp????
6.626 ? 10?34 1.38066 ?
? 100.00 ? 10 10? 23 ? 298
6
? J ?s J ?K
?s ? 1 ?1 ?K
????
?
0.999
?z
?
m?
h
2?
（3）核能级分裂 ：若无外磁场，由于核的无序排 列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁 场作用下，核磁矩按一定方向排列，对 1H核磁矩有 两种取向，即 m=1/2是, 顺磁场, 能量低；m=-1/，2 逆磁场，能量高 。从而产生了能级的分裂现象。每 一种核磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。
Ni 、Nj 分别为高能级（激发态）和低能级（基态） 核的数目，两能级上核数目相差 1.6 ? 10-5；核磁信
号就是靠所多出的低能级核的净吸收而产生的。
磁核在各能级上的玻尔兹曼分布是热运态平衡。当 低能级的磁核吸收了射频辐射后，被激发至高能级 ，同时给出共振吸收信号。但随着实验的进行，只 占微弱多数的低能级磁核越来越少，最后高、低能 级上的磁核数目相等（饱和），从低到高与从高到 低能级的跃迁的数目相同（体系净吸收为 0，共振 信号应消失）。但是上述“饱和”情况并未发生！ 说明必然存在着使低能级上的磁核保持微弱多数的 内在因素，这种内在因素就是核的驰豫过程。
1、核自旋分类（用 核自旋量子数 Ⅰ来描述）
(1) I=0的原子核: 16 O8； 12 C6； 32 S16 无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收
(2) I=1或正整数的原子核: 2H1，14N7 原子的核电荷分布呈现一个椭圆体分布，电荷分布不均
匀，共振吸收复杂，研究应用较少 (3) I=1/2: 1H1，13C6，19F9，31P15
第四章 核磁共振氢谱
§4.1 核磁共振基本原理 4.1.1 原子核的磁矩
??
原子核是带电粒子，通过对原子光谱精细结构研
究，发现了核的自旋运动， 若原子核存在自旋，就
会产生核磁矩 。
? ??p
p
?
h
2?
I (I ? 1)
? 称为磁旋比，每种核都有特定值对于 1H1 核，其
值为2.67519? 108 T-1?s-1 ; Ⅰ为自旋量子数。