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第3章 核磁共振波谱法 (NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 3.1 NMR概述 研究对象 ( 磁性核与外加磁场H0的相互作用 磁性核：109种元素所有的核均带电荷，有些核具有磁角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转（似带电的陀螺） 磁棒在磁场中 磁性核在磁场中 Fig.3-1 磁性核在外加磁场中的行为 无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向。 放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行 Fig.3-2 磁性核在磁场中的能量变化 无外加磁场时，磁性核的能量相等。 放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差(E=h(。 什么是核磁共振? 用能量等于(E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。 NMR(利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。 NMR发展简介: NMR的理论基础：1924年Pauli W.假设(特定的原子核具有自旋和磁矩，放入磁场中会产生能级分裂。 1946年Standford大学的Block和Harvard大学的Purcell独立观察到核磁共振，荣获1952年诺贝尔物理奖。 随后五年，化学家们发现了NMR信号与分子结构的关系。 1991年诺贝尔化学奖授予R.R. Ernst教授，以表彰他对二维核磁共振理论及傅里叶变换核磁共振的贡献。 1953年，第一台NMR仪器问世 谱仪频率已从30MHz发展到900MHz。仪器工作方式从连续波谱仪发展到脉冲-傅里叶变换谱仪。 随着多种脉冲序列的采用，所得谱图已从一维谱到二维谱、三维谱甚至更高维谱。所应用的学科已从化学、物理扩展到生物、医学等多个学科。 NMR简介: NMR的重要条件：外加磁场 NMR信号的产生：样品是否吸收，由核的种类决定 样品的吸收频率：无线电电磁波 d) NMR谱：吸收峰频率（化学位移）与峰强度的关系 3.2 核磁共振基本原理 3.2.1 原子核的磁矩  磁性核很多种同位素的原子核都具有磁矩，这样的原子核可称为磁性核，是核磁共振的研究对象 原子核的磁矩取决于原子核的自旋角动量P，其大小为： I为原子核的自旋量子数。h为普朗克常数。 表3-1 自旋量子数与原子核的质量数及质子数关系 I ( 0的核为磁性核，具有自旋角动量。可以产生NMR信号。 I = 0的核为非磁性核，无NMR信号。 I=1/2的原子核，其电荷均匀分布于原子核表面，这样的原子核不具有四极矩（quadrupole），其核磁共振的谱线窄，最宜于核磁共振检测。 I 1/2的原子核 ，具有电核四极矩。 核磁矩  (：磁旋比（magnetogyric ratio）磁旋比(表示原子核的磁偶极矩与其角动量之比，是原子核的特征参数。 图3-1 质子的自旋状态 图3-2 质子在有无外加磁场作用下的自旋状态 图3-3 氯原子核在无外加磁场作用下的自旋状态 磁矩和磁场的相互作用能E： 若设外磁场加在Z轴方向上，则有： I = 1/2时，  能级差： 任意两个能级的能量差： 量子力学选律：( m = (1的跃迁是许可跃迁 任意相邻两个能级的能量差： 图3-4自旋量子数为1/2的核核磁矩与能级的关系 3.2.3 核磁共振的产生 在静磁场中，具有磁性的原子核存在不同能级。用一特定频率的电磁波照射样品， 当电磁波能量等于(E时，原子核会吸收电磁波进行能级间的跃迁，此即核磁共振。 核磁共振的基本方程式 磁场固定时，不同频率的电磁波可使不同的核((不同)产生共振；同样的核((一定)，改变磁场时，吸收频率不同。 磁场强度H0与电磁波频率( 磁性核的共振频率与外加磁场成正比：( ( H0 表3-3 部分同位素核在不同磁场强度下的核磁共振频率