第四章--核磁共振氢谱和碳谱.

强有力的工具。本章重点介绍核磁共振的原理、仪
器和应用，主要是1H谱。由于核磁共振主要是利用
物质的磁性，所以本章首先介绍物质的磁性。
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第四章
核磁共振氢谱
§4.1 核磁共振基本原理 4.1.1 原子核的磁矩 原子核是带电粒子，通过对原子光谱精细结构研


究，发现了核的自旋运动，若原子核存在自旋，就
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(1)核有自旋(磁性核) (2)外磁场，能级裂分;
共振条件
(3)照射频率与进动频率相等 0
m 1(只能发生在相邻能级间 ) (4)符合跃迁选律：
H0 2
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（1）对同一种核 ,为定值, H0变则射频频率变。
1H：1.409
T
共振频率为60MHz 共振频率为100MHz
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0 H0 2
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回旋轴
2、核磁共振吸收条件
在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高
能级跃迁时，需要吸收能量。当射频振荡线圈产生
电磁波的能量（h）等于核能级差△E就会有NMR
（核自旋发生倒转）。
h E H O h (电磁波频率) 2 HO , o H O， o 2 2
均匀,并象陀螺一样自旋，有核磁矩产生，对应的
核磁共振波谱图简单明了。自旋量子数 I=1/2原子
核是核磁共振研究的主要内容。例如1H核可看作核 电荷均匀分布的球体，核绕自旋轴转动时，除了产 生核磁矩还会产生一感应磁场，类似于一小磁体。
自旋轴
右手法则
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2、原子核自旋能级分裂
（1）核磁矩的取向：当核置于外磁场H0中时，相 对于外磁场，原子核到底有多少种取向？通常用 m （磁量子数）表示,取值范围为I，I-1，…，-I共 （2I+1）种取向。 核磁矩在外磁场空间的取向不
会产生核磁矩。
h p I ( I 1) p 2 称为磁旋比，每种核都有特定值对于1H1 核，其

值为2.67519108 T-1s-1 ;Ⅰ为自旋量子数。
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1、核自旋分类（用核自旋量子数Ⅰ来描述）
(1) I=0的原子核:
16
O8 ；
12
C6 ；
32
S16
无自旋，没有核磁矩，不产生共振吸收
(2) I=1或正整数的原子核: 2H1，14N7
原子的核电荷分布呈现一个椭圆体分布，电荷分布不均
匀，共振吸收复杂，研究应用较少
(3) I=1/2:
1H 1， 13C 6， 19F 9， 31P 15
I=3/2：11B5，35Cl17，79Br35，
I=5/2：17O8，127I
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这类原子的核电荷分布呈现球体分布，核电荷分布
核磁共振（ nuclear magnetic resonance NMR）是 利用物质分子或原子中核的磁性 , 当它们处在特定 的外磁场下能吸收一定能量的电磁波 , 记录这种吸
收现象所获得的波谱 , 就是磁共振谱。由于这种吸
收与核所处的环境有关，所以吸收的特征能反映分
子结构的信息，因此核磁共振波谱是研究分子结构
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4.1.2 原子核的磁共振吸收
1、原子核的进动 当带正电荷的、且具有自旋量子数的核绕自旋轴 旋转时则会产生磁场，当这个自旋核置于外磁场中 时，该核的自旋磁场与外加磁场相互作用，使自旋 轴与外磁场保持一夹角θ的回旋(摇头旋转），这 种回旋称为核的进动 。进动频率o 与外加磁场关 系可用 Larmor 方程表示：ω(角速度)=2πo=γHO
h Pz m 2
Pz 的取值与m有关，只能取不连续的数值。 由μz=γ×Pz 知，
h z m 2
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（3）核能级分裂：若无外磁场，由于核的无序排 列，不同自旋方向的核不存在能级的差别。在外磁 场作用下，核磁矩按一定方向排列，对1H核磁矩有
两种取向，即m=1/2,是顺磁场,能量低；m=-1/2，
是任意的，是量子化的。这种现象称为核磁矩的空
间量子化。
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z
z
z
m =1/2 H0
m =1 m =0
m =-1/2 I = 1/2
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m = -1
I=1 I=2
m =2 m =1 m =0 m = -1 m = -2
（2）核磁矩在外加磁场（Z轴）上的分量μz取决于 角动量在该轴上的分量（Pz），且
6.626 1034 100.00 106 J s s 1 Ni exp 0.99984 23 1 Nj JK K 1.38066 10 298
Ei E j Ni E h exp exp exp Nj kT kT kT
例：计算1H共振频率为500MHz所需要的Ho。
2 3.14 50010 H0 11 . 72 T 8 2.6751910
6
2
4.1.3 原子核磁能级上粒子的分布 不同能级上分布核数目可由Boltzmann 定律计算：
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磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比 2.67519 108 2.3488 共振频率 H0 100.00MHz 2 2 3.24
2.3488T
（2）不同原子核, 不同产生共振条件不同,需要
磁场强度H0和射频频率不同。
（3）固定H0，改变（扫频），不同核在不同频率
处发生共振产生吸收。也可固定，改变H0（扫场）
不同核在不同磁场强度处发生共振产生吸收。
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例：计算在2.3488T磁场中，1H的共振频率。
2.67519108 2.3488 1 1 0 H0 (T s T ) 100MHz 2 2 3.14
逆磁场，能量高。从而产生了能级的分裂现象。每
一种核磁矩取向所对应的能级可通过下面公式求得。
h E z H 0 m H0 2
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1
1 h H : E1 H0 , 2 2 2
E
1 2
1 h H0 2 2
h E H0 2
由核能级分裂现象说明，高场强（外磁场强度大） 的仪器比低场强仪器测得的核磁共振信号清晰。