核磁共振光谱在结构分析中的应用.docVIP

海南大学硕士研究生2010 —2011 学年度第 2 学期 课程考试论文 学院（中心、所）： 材料与化工 专业： 材料学 研究方向 高分子材料 班级 10级材料学 学生姓名 周 宇 学生证号 10080502210008 课程名称： 聚合物结构分析 论文题目： 核磁共振光谱在结构分析中的应用 任课老师： 廖双泉 教授 （以上由学生填写） 教师评阅： 阅卷教师（签名）： 年 月 日 核磁共振光谱在结构分析中的应用 1 核磁共振的机理 核磁共振是材料分子结构表征中最有用的一种仪器测试方法之一。用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度，就得到核磁共振谱。 1.1原子核的自旋 原子是由原子核与电子组成，而质子和中子又组成原子核。原子核具有质量并带有电荷。某些原子核能绕轴做自旋运动，各自有它的自旋量子数Ⅰ，自旋量子数有0、1/2、1、3/2…等值。Ⅰ=0意味着原子核没有自旋。每个质子和中子都有其自身的自旋，自旋量子数Ⅰ是这些自旋的合量，即与原子核的质量数和原子序数有关，若原子核的原子序数和质量数均为偶数时 ，Ⅰ为零，原子核无自旋，如12C、16O原子，他们没有NMR 信号。若原子序数为奇数或偶数、质量数为奇数时，Ⅰ为半整数，原子序数为奇数、质量数为偶数时，Ⅰ为整数，如表1-1所示。 表1-1 原子核的自旋量子数 原子序数 质量数 Ⅰ 实例 偶 偶 0 12C 16O8 偶、奇 奇 半整数 13C6 17O8 奇 偶 整数 2H1 10B5 1.2原子核的磁矩与自旋角动量 原子核在围绕核轴做自旋运动时，由于原子核自身带有电荷，因此沿核轴方向产生一个磁场，而使核具有磁矩μ，μ的大小与自旋角动量（P）有关，它们之间关系的的数学表达式为: μ=νp 式中，ν为磁旋比，是核的特征常数。 依据量子力学原理，自旋角动量是量子化的，其状态是由核的自旋量子数Ⅰ所决定，P的绝对值为 P=ｈ/2p ［Ⅰ(Ⅰ+1)］1/2 其中h为普朗克常量。 1.3磁场中核的自旋的能量 在一般的情况下，自选的磁矩可以任意取向，但是当把自旋的原子核放入外加磁场（Ho）中，除自旋外，原子核还将绕Ho运动，由于磁矩与磁场的相互作用，核磁矩的取向是量子化的。核磁矩的取向数可用磁量子数m来表示，m=I、I-1、I-2、…、-（I-1）、-I，共有2I+1个能级。每个能级的能量 E=-μHHo HO为外加磁场强度，μH为磁矩在外磁场方向的分量，μH=gmh/2p,所以 E=-gmh/2pHo 由于自旋核在外磁场中有（2I+1）个能级，这说明自旋原子核在外加磁场中的能量是量子化的，不同能级之间的能量差为△E。根据量子力学选率，只有△m=±1的跃迁才是允许的，则相邻能级之间跃迁的能极差为 △E=g△mh/2pHo 1.4核磁共振的产生 1.4.1拉莫尔进动 如图3-1所示，在外加磁场Ho中，自旋核绕自旋轴旋转，而自旋轴与磁场Ho又以特定夹角绕Ho旋转，类似一陀螺在重力场中运动，这样的运动称为拉莫尔进动。进动频率（又称拉莫尔频率）由下式算出 Wo=2pn0=g H0 而自旋角动量是量子化的，其在磁场方向的分量Pz和磁量子数（m）关系为Pz=mh/2p,因为m共有2I+1个值，与此相应，Pz也有2I+1个值，与此相对应自旋核在z轴上的磁矩： μz=gPz=gmh/2p 则μ与Ho相互作用能量 E=-μzHo 将格式代入其中得： E=-gmh/2pμ 因m是量子