共振原理

核磁共振基本原理

一、原子核的磁矩

核磁共振研究的对象是具有磁矩的原子核。原子核是由中子与质子组成。质

子与中子数为偶数的核，其自旋量子数I＝0，没有自旋现象。质子与中子数其

中之一为奇数I≠0（质子数与中子数都为奇数的I＝半整数），具有自旋现象，

例如

I≠0的核有自旋运动，并且核带有一定的正电荷。这些电荷也围绕着自旋

轴旋转，从而产生循环电流，循环电流就会产生磁场。因此凡是I≠0的原子核

都会产生磁矩。I＝1/2的原子核，类似于电荷均匀分布在表面的球体。而I＝1

或I等于1/2整数倍的原子核，电荷分布不是球形对称的，一般用原子核的电四

极矩来度量原子核中电荷分布离开球形对称的程度。

二、核磁共振

根据量子力学理论，磁性核（I≠0）在外加磁场（B

0

）中的自旋取向不是任

意的，而是量子化的，共有（2I＋1）种取向。可由磁量子数m表示。m=1,I=-1，...

（-I+1)、－I。如下图所示：

核的自旋角动量（P）在Z轴上的投影P

z

也只能取不连续的数值。

(3.3)

与P

z

相应的核磁矩在Z轴上的投影为

z

，(3.4)

磁矩与磁场相互相用能为E，E＝-

z

B

0

(3.5)

(3.6)

由量子力学老公英语 的选律可知，只有△m＝1的跃迀才是允许跃迁。所以相邻两

能级间的能量差为：

(3.7)

（3.7）式表明，△E与外加磁场B

0

的强度有关，△E随B

0

场强的增大而增

大（见图3.2）

在B

0

中，自旋核绕其自旋轴（与磁矩方向一致）旋转，而自旋轴既与B

0

场保持一夹角又绕B

0

场进动餐叉的英文 ，称Larmor进动（图3.3），类似于陀螺在重力

场中的进动。核的进动频率由（3.8）式决定。

（3.8）

若在与B

0

垂直的方向上加一个交变场B

1

(称射频场），其频率为v1。当v1=v2

时，自旋核会收射频的能量，由低能态跃迀到高能态（核自旋发生倒转），这种

现象称为核磁共振吸收。由3.7式及△E＝hv得：

(3.创意是什么 9)

同一种核，y为一常数，B

0

场强度增大，其共振频率v也增大。对于1H，当

B

0

=1.4T梨英语 G时，v=60MHZ；当B

0

＝2.3TG时，v=100MHz（1TG＝10

4

高斯，1MHz＝106

赫兹）

B

0

相同，不同的自旋核因y值不同，其共振频率亦不同。如B

0

=2.3TG时，

1H(100MHz)，19F（94MHz），31P（40.5MHz），13C（25MHz）

三、化学位移

核磁共振谱线的各谱线的数目及各谱线出现的位置，取决于被测原子核周围

的化学环境，即决定于样品的结构与性质。因此研究谱线的数目与位置，对物质

结构分析是很有意义的。这种在分子中处在不同化学环境的磁性核的共振频率

Hz的差异，称为化学位移。

1、化学位年禧 移产生的原因

实际上，分子中的核是由电子包围着的，对核形成磁屏蔽。相同的核在

分子中所处的化学环境不相同，所以各磁性核的共振频率会有极微小的差

别。也就是说，有机化合物在外磁场作用下，核外电子云感应出的电子环

流，产生与外磁场方向相反的感应磁场Bi，如下图。感应磁场Bi的大小

与外磁场强度成正比，感应磁场与外磁场一起作用于磁核，这嗤之以鼻什么意思 时磁核实际

所受到的磁场强度为Bn

Bn=Bo-Bi=Bo-Bo=(1-)Bo

式中称为屏蔽常数，它包括核周围各种各样的因素对核实受磁场强度

的影响，是特定核所处化学环境的反映。

2、化学位移的量度

按照IUPAC规定：（1）化学位移一律用表示

（2）用TMS的共振位移为原点，左为正，右为内环境的组成 负，单位

为Hz

（有机化合物负的较少，如三元环）

化学位移普遍采用无量纲的值表示，的定义为：

上两式表示的化学位移的定义是等同的。用表示的化学位移与外磁

场强度无关。因此样品中某一磁核，在不同的磁场强度的核磁共振仪上所

得到的值都相同。

例如：有60MHz的仪器测定样品中某一核的共振频率比标准物质低

60Hz,即化学位移为60Hz，用值表示则为

这个样品在100MHz仪器上测得的波谱，其化学位移为100Hz,但值仍

为1ppm即

3、自旋－自旋偶合

将磁性核放在磁场中，根据塞曼效应它们要分裂。凡是I＝1/2的核，

核磁矩在外磁场中有两种取向，一种与外磁场方向大体平行，另一种与外

磁场大体反平行。与外磁场平行使核的自旋能量升高，而与外磁场反平行，

则使核的自旋能量降低，从而把核的共振信号分裂为两重峰：

自旋偶合：核的空间磁性传递（干扰）

偶合常数：通过化学键所传递的偶合（结构）信息，其值大小与外加磁场

强度及测试条件无关。用J表示（单位Hz）

现在根据上述原理来确定甲基基团－CH

3

中三个1H对碳十三的偶合作用。