核磁共振谱书.doc

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核磁共振的研究对象是具有磁矩的原子核。原子核是带正电的粒子,其自旋运动会产生磁矩。原子核的自旋运动与自旋量子数I有关。 I=0的原子核没有自旋运动,不会产生磁矩,而 I≠0的原子核有自旋运动,会产生磁矩。
原子核可按I的数值分为以下三类:
a) 中子数、质子数均为偶数, 则I=0,如12C 、16O、32S等。
b) 中子数、质子数其一为偶数,另一为奇数,则I为半整数,如:
;、、、、、、、、、等;
;、、、、、、、、等;
;、、、等;
、等。
c)中子数、质子数均为奇数,则I为整数,如、、等I=1;,I=2;,I=3。
由上述可知,只有b)、c)类原子核具有核磁共振现象。
氢原子()原子核的,所以磁量子数m有两个值:、。
也就是说,在外加磁场中,其核有两个自旋取向,时,自旋取
向与外加磁场方向一致,能量较低;时,自旋取向与外加磁场方向
相反,能量较高。核的自旋角动量P在z轴上的投影只能取一些不连续的
数值.

式中为普郎克常数, ;m=I;I-1,…,-I+1,-I。与此相应,原子核磁矩在z轴上的投影:

式中称为磁旋比(ogyric ratio),有时也称作磁旋比(ic ratio).
磁矩有磁场的相互作用能
(2-3)
式中为静磁感应强度。
当时(2-4)
当时(2-5)
原子核不同能级间的能量差为
(2-6)
在静磁场中,如运用某一特定的电磁波来照射样品,并使其电磁波满足,核可以进行能级间的跃迁,这就是核磁共振。当然,跃迁时必须满足选律,即。所以产生核磁共振的条件为:
(2-7)
(2-8)
式中ν为电磁波频率,其相应圆周率为
(2-9)
同一种核,为一常数,如;磁感应强度增大,共振频率也增大。不同核不同,共振频率也不同。如时,共振频率为100Mz,。
核的弛豫
当电磁波量子的能量等于样品分子核的某能级差△E时核可以吸收电磁波量子,从低能态跃迁到高能态,同样核也能从高能态回到低能态,释放出该频率的电磁波量子。按照波尔兹曼分布,低能态的粒子数略多于高能态的粒子数,而发生上述两种过程的几率是相同的,在核磁共振波谱中△E非常小,自发辐射的几率实际为零。固此若要在一定时间间隔内持续检测到核磁共振信号,必须有某种过程存在,它使高能态的原子核能回到低能态,以保持低能态的布居数始终略大于高能态布居数,这个过程是弛豫(relaxation)过程,它是产生核磁共振信号的必要条件。若无有效的弛豫过程,高低能态核的布居数很快达到相等,此时不再有核磁共振吸收信号,这种现象叫做饱和(saturation)。
需要指出的是,两能态核的布居数之差是很小的,按波尔兹曼定律来描述:
Ni∝(2-10)
式中 Ni为第i个能级的核数目;
Ei为第i个能级的能量;
K为波尔兹曼常数,k=×J/K
T为绝对温度;e为自然对数底数。
或达到热平衡时,两能态的粒子数比值为:
式中为高能态核的数目;
为低能态核的数目;
为高低能态的能量差;
其余符号意义与式(2-10)相同。
以为例,若外加磁场=(相当于60MHz核磁共振谱仪所用的磁感强度),温度T=300K时,低、。故此,在核磁共振中,若无有效的弛豫过程,饱和现象是容易发生的。
纵向弛豫(longitudinal relaxation)(自旋—晶格弛豫)
核磁矩体系在外加磁场之前,其宏观磁化矢量(macroscopic isation vector)M为单位体积内N个原子核磁矩的矢量和。,按照量子力学说