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1、练习1：,练习2：,第一章 核磁共振基本原理,历史与进展简介,基本概念,第一节 核磁共振原理简介,第一节 核磁共振原理简介,核磁共振或简称NMR是一种用来研究物质的分子结构及物理特性的谱学方法.它是众多谱学分析法中的一员.其它的分析方法:电子自旋共振(ESR/EPR)红外光谱学(IR)质谱学(MS)色谱学(LC/GC/HPLC)X-ray(SCD/XRF/XRD)核磁共振成像 或称MRI 已经频繁的使用在医院的疾病的诊断中.,第一节 核磁共振原理简介,核磁共振研究的材料称为样品.样品可以处于液态,固态.众所周知,宏观物质是由大量的微观原子或由大量原子构成的分子组成(一滴水大约由1022分子组成
2、),原子又是由质子与中子构成的原子核及核外电子组成.核磁共振研究的对象是原子核.,mm(10-6m),m,nm(10-9m),A(10-10m),第一节 核磁共振原理简介,NMR,Nuclear Magnetic Resonance,is a phenomenon which occurs when the nuclei of certain atoms are immersed in a static magnetic field and exposed to a second oscillating magnetic field.核磁共振 是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级
3、发生塞曼分裂(Zeeman splitting），共振吸收某一特定频率的射频（radio frequency,RF）辐射的物理过程。,第一节 核磁共振原理简介,1.1 基本概念,原子核的自旋角动量和磁距 由质子和中子构成的原子核,像电子一样也有自旋运动,这些微观粒子有和宏观球体类似的性质:自旋运动必产生角动量。根据量子力学原理，原子核的自旋角动量（P)为：I：原子核的自旋量子数 h:普郎克常数,1.1 基本概念,P 是空间量子化的,它在直角坐标系Z轴上的投影(PZ)可以表示:,m 称为磁量子数,m有2I+1个可能取值，即-I,-I+1,I-1，I,对于自旋量子数为I的原子核,PZ共有(2I+1
4、)个数值,即P 在z轴上的分量是空间量子化。,1.1 基本概念,m 磁量子数可取的最大数为+I，代入 后得到角动量可观察的最大分量（Pm）应为：I值是表征原子核性质的一个重要的物理量，它不仅决定原子核有无自旋角动量，而且还决定原子核的电荷分布，NMR特性以及原子核在外磁场中能级分裂的数目。,1.1 基本概念,I 的数值如下：1）I=0，当中子数、质子数均为偶数；如：12C、16O 2）I=半整数，当中子数与质子数一为奇数，一为偶数如：I=1/2：1H、13C、15N、19F、31P I=3/2：23Na、35Cl、39K I=5/2：17O、25Mg 3）I=整数，当中子数与质子数均为奇数，如
5、2H、14N 自旋为1/2的核，其电荷呈球形分布，它们都具有磁各向同性的性质。,1.1 基本概念,原子核可近似地看成表面分布有电荷的球体，当它绕轴自转时，便会产生一个循环电流。像线圈通电产生磁场一样，原子核的循环电流也产生一个磁场。原子核磁矩与自旋角动量之间存在如下关系：,为磁旋比(magnetogyric ratio)或 旋磁比(gyromagnetic ratio)也是量子化的，是磁核重要的物理量之一。,1.2 核磁共振现象,(1)在静电场中原子核的进动及能量 在重力场中一个快速旋转的陀螺尽管旋转轴偏离铅直轴,但并不倒下,其旋转轴却绕铅直轴方铅方向以较低的角速度转动.同样,自旋的原子核放在
6、静止的外磁场(H0)中,对核磁距有一个作用力,致使核磁距围绕外磁场(H0)有类似于陀螺一样的进动.,(1)在静电场中原子核的进动及能量,在磁场中,自旋核可能有(2I+1)取向,从-I 到 I(-I,-I+1,-I+2,I)I为1/2 的核，在磁场中应有两种状态,即a(m=-1/2)and b(m=+1/2),(1)在静电场中原子核的进动及能量,设H0的方向与Z轴的方向重合,与H0的夹角为,则 与H0的相互作用的能量为:,(1)在静电场中原子核的进动及能量,由于m有(2I+1)个值,原子核在外磁场中应有(2I+1)个能级,即在静止磁场中原子核的能量是量子化的.若为I=1/2的核,当m=+1/2时
7、,(z)与H0的取向相同,E值为负,原子核处于低能态(E1);当m=-1/2时,(z)与H0的取向相反,E值为正,原子核处于高能态(E2),原子核吸收或放出能量时,就在能级间发生跃迁,跃迁所遵守的选律为 也就是说,原子核只在相邻的能级间发生跃迁,两能级间差为:,(2)核磁共振条件,在外磁场(H0)条件下,原子核的磁距()绕H0进动的频率(0)为:0=H0=20,上式称为拉莫(Larmor)方程,0为拉莫频率,对同一周期运动体系施加一周期变化的外力,若要使运动体系有效地从外界吸收能量,必须是运动体系的频率与外力的变化的频率相同,这就是所谓的”共振条件”。同理，对于核磁距而言，若用频率为 的射频辐
8、射去照射在H0 中进动的磁核，只有 等于磁核的Larmor 频率(0)时，原子核才能有效地吸收射频辐射的能量，从低能态跃迁到高能态，实现核磁共振。,（3）原子核磁能级上的粒子分布,把样品放入H0中，原子核的能级分裂为（2I+1）个，对于诸如Proton 等自旋量子数为I=1/2的核，分裂成高低两个能级。由于H0与磁核的相互作用，核磁距（）与H0的方向趋于平行，促使磁核优先分布在低能级上，但高低能级间差别很小，磁核在热运动影响下，仍有机会从低能态向高能态跃迁，整个体系处于高低能级间的动态平衡之中。在通常情况下，平衡状态个能级上的粒子数分布遵从波兹曼（Botzman)规律分布，即：,（3）原子核磁
9、能级上的粒子分布,N2:高能态的粒子数；N1:低能态的粒子数E:能量差，K：Botzman常数，T：绝对温度；由于E很小，E KT,（3）原子核磁能级上的粒子分布,（3）原子核磁能级上的粒子分布,对于Proton 而言，T=300K,H0=1.47Tesla差额很小:灵敏度低意义重大,产生NMR法 如果在垂直于H方向上加入一个射频场,当射频场的 频率与原子核的拉莫尔频率相等时(=H)处于低能态的E1的核吸收射频能跃迁到高能态。这一现象称之为核磁共振现象。,核磁共振定义,假定射频的频率为，那么其能量为发生共振时，射频场的能量正好等于上下能级的能量差：=H 量子力学观点。所谓“核磁共振”：处于静电场的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波的想象,NMR 谱仪,数据储存;数据处理;总体控制.,练习3：,练习4：,
