核磁共振(NMR)波谱学原理及其应用.pptVIP

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核磁共振(NMR)波谱学原理及其应用 第一章 绪言 1.1 回顾: NMR现象发现于1945年,发展迅速,已成为当代研究物质结构最有力的工具。 1946年哈佛大学Purcell小组和斯福大学Block小组几乎同时观测了石蜡中质子的信号, 1952年获诺贝尔物理奖。 1951年发现化学位移现象。 1952年Hahn等发现自旋偶合现象,显示NMR技术可用来研究分子结构。 1958年第一台30MHz(CW-30MHz)。 1965年提出快速FT变换方法。 1966年R.R.Ernst等实现了FT-NMR实验。将信号采集由频率域→时域,使信号累加变得容易,大大提高NMR灵敏度,13C核的测量成为可能,这是一次革命。 利用不同的脉冲组合来加工核自旋体系的信息,获得特定的分子结构信息:驰豫时间,共振峰的分类(DEPT,1NEPT) 1971年J.J.Jeener首次引入二维谱的概念。 1974年R.R.Ernst小组首次成功地实现二维实验,NMR进入全新时代。 上世纪80年代是NMR迅速发展的十年。 1991年R.R.Ernst本人获诺贝尔化学奖。 1.2 仪器的基本构造 NMR发展的里程碑 1.3电磁辐射的性质 Electromagnetic spectrum 波实际上是由二个正交(互相垂直)的彼此完全相同的波组成的。其中一个描述辐射的电场矢量(E),在一个平面内振荡,而另一个波描述磁场矢量(B),在垂直于电场的平面内振荡。 波可用二个独立的量,波长(?)和最大振幅(图中的E0和B0)来表征。电磁辐射以固定的速度传播,可用频率?来描述波,频率是相邻两个波之间的距离t0 的倒数。        t0的单位是秒, ?的单位赫兹(Hz) 在t0时间内,电磁波传播的距离为???。 C=? ? t0 对某一特定的波,其波长和频率不是二个互为独立的量,而是互为反比例的关系。高频辐射具有短的波长,而低频辐射则具有长的波长。 电磁波除了波动性外,还表现出粒子的某些行为。光子最重要的类粒子性质是它的能量(E)。每一个光子具有分立的能量,它与频率成正比关系。这种关系可表示如下: E=h? 式中h-普朗克常数,其值为6.63x10-27尔格.秒 对NMR的目的来说,我们特别感兴趣的是射频辐射(rf),其频率范围与收音机和电视机的接收频率相同。通常采用频率为200-750MHz的波段。表中能量标尺的低能端,恰好是我们实现NMR实验所需要的能量。 第二章 原子核的磁性 2.1 原子核的结构 化合物是由分子组成, 分子本身是原子的聚集体。每一个原子都有若干带负电荷的电子。电子围绕一个体积极小的带正电荷的原子核运动。99.9%以上的原子的质量都集中在原子核上,核只占原子体积的1/1012。 2.1.1 原子核的组成 原子核是由原子和中子组成的。 原子核中质子的数目(Z代表原子序数),决定原子的特征及其核电荷。 在元素周期表中,每一个元素的原子序数表示在化学符号的右边,左上角的角码是同位素的质量数(A),它是Z和N的整数和。 A=Z+N 2.1.2 核自旋 质子是一种转动着的带电荷的粒子(Z=1),故有磁矩。 磁矩只有两种可能的取向,在无外磁场时,这两种取向的能量是简并的,习惯上采用核自旋量子数m来表征。如对一个质子, m=+?或-?。把这种核描述为1/2的核自旋(I)。 核电荷带正电,故核磁矩沿磁场方向(m=+?)排列的核,其能量最低。 中子不带电,也有磁矩,并且自旋I=?。在磁场中,它也有两种取向,对中子来说,由于?取负值,故稳定的方向对应于m=-?。 原子 ZX中I与Z和m的关系 核自旋为零的核,其I=0,因此不能用NMR来检测。 2.1.3 核自旋的多重度 I=1/2的原子核在磁场中给出两个自旋取向。 I1/2的原子核可取两个以上的自旋态。可能自旋态(即不同的m值)的总数(多重度)仅取决于I值。 多重态=2I+1(能级的数目) 在这些2I+1个态(能级)中,每一个态具有它自己的量子数m, m=-1,-1+1,…I-1,I。例如对于I=?,多重度是2,即 m=?和m=-?;对于I=1,多重度是3,即 m= -1,0,+1。 2.1.4 核的角动量和磁矩 根据经典图象,原子核取球形,绕自己的轴转动。因此,许多原子核具有内禀角动量P P= I(I+1) ?  ?=h/2π,h=planck常数  I为角动量量子数,简称核自旋,   I=0,?,2/3,2… P与之相对应的磁矩?,有如下关系式:

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