现代材料检测第十一章NMR和ESR

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1、第十一章核磁共振与电子自旋共振波谱NuclearMagneticResonanceSpectroscopy&ElectronSpiningResonance(orElectronParamagneticResonance)Spectroscopy现代材料分析测试技术课件11.1、核磁共振波谱核磁共振波谱法的基本原理（原子核的自旋和磁矩、核磁共振的产生条件及相关表达式和意义、饱和与驰豫）有机化合物的结构与质子核磁共振波谱（化学位移、自旋偶合与裂分、一级图谱、化学交换、共振吸收强度）核磁共振波谱仪（连续波及傅立叶变换核磁共振波谱仪）核磁共振波谱法的基本应用（图谱解析及有机化合物结构分析）本　

2、章　内　容11.2、电子自旋共振波谱电子自旋共振谱的基本原理ESR谱仪的结构、ESR谱的分析与应用主要参考书《有机化学中的光谱方法》,DHWilliams著,王剑波译,北京大学出版社,2001.《高分子结构中的光谱方法》,薛奇,高等教育出版社,1995.《聚合物结构分析》,朱诚身主编,科学出版社,2004.1946年前后，哈佛大学的E.M.Purcell和斯坦福大学F.Bloch分别观察到石腊和水中质子的核磁共振吸收信号。两人因此共获1952年诺贝尔物理奖。1953年出现了世界上第一台商品化的核磁共振波谱仪。1966年：高分辨核磁共振谱仪出现。1970年代，R.R.Ernst创立脉冲傅里叶变

3、换核磁共振（FT-NMR）和发展了二维核磁共振(2D－NMR)。1987：R.R.Ernst及其学生G.Bodenhausen和A.Wokaun合作出版《一维和二维核磁共振原理》，此书与A.Abragam出版的专著《核磁学原理》被国际NMR领域称为NMR发展史上的两块里程碑。核磁共振的发展历史及应用1991:R.R.Ernst因其创立脉冲傅里叶变换核磁共振（FT-NMR）及发展二维核磁共振(2D-NMR)这两项杰出贡献,当之无愧的独享了1991年诺贝尔化学奖。近来出现的用于医学诊断的核磁共振成像技术（MRI），是自X光发现以来医学诊断技术的重大进展．正因为美国保罗·劳特伯尔和英国彼德•曼斯菲

4、尔在核磁共振成像技术方面的贡献，2003年一起获得了诺贝尔奖生理或医学奖。可以说NMR与诺贝尔奖结下了不解之缘。核磁共振经过50多年的发展应用，使得此项技术迅速成为在物理、化学、生物、地质、计量、医学等领域研究的强大工具。核磁共振的发展历史及应用核磁共振波谱法的特点NMR是结构分析最强有力的手段之一，谱图的直观性强，特别是碳谱能直接反映出分子的骨架，谱图解释较为容易。有多种原子核的共振波谱(除了常用的氢谱外，还有碳谱，氟谱，磷谱等)，因此，扩大了应用范围，各种谱之间还可以互相印证。可以进行定量测定，研究反应机理，还可以求得某些化学过程的动力和热力学的参数。该法的缺点是：用于固体的测定比较麻烦

5、，仪器比较昂贵，工作环境要求比较苛刻，因而影响了其应用的普及性。核磁共振光谱是以频率为兆赫级、低能量的电磁波照射分子，电磁波能与暴露在强磁场中的磁性核相互作用，引起磁性核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁而产生吸收信号。原子核对射频电磁波的吸收称为核磁共振光谱（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy),缩写为NMR。根据NMR图上吸收峰的位置、强度和精细结构可以研究分子的结构。核磁共振光谱的定义与分类按照测定的对象分类：1H、13C、19F、29Si、15N及31P等NMR按样品的状态分类:溶液NMR、固体NMR式中：h是普朗克常数,6.62410-34J/S

6、I是核的自旋量子数,，由实验测定。I=0，P=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。只有I＞0，才能发生共振吸收，产生共振信号。§11.1.1核磁共振的基本原理1、原子核的自旋原子核由质子和中子组成，与核外电子一样存在自旋。原子核绕轴自身作旋转运动，产生自旋角动量P。由量子力学计算，P的绝对值由核自旋量子数I决定。质量数质子数中子数I举例偶数偶数偶数012C，16O，32S奇数偶数奇数奇数偶数半整数n/2(n=1,2,3….)1H,13C,19F,31P(1/2);7Li,9Be,11B(3/2);17O,25Mg,27Al(5/2);……..偶数奇数奇数整数2H,6Li,14N

7、(I=1)原子核的分类（自旋量子数I的取值）2、原子核的核磁矩核自旋产生磁场，其方向由右手定则确定，如图所示。核磁矩与自旋角动量P的关系：图1核磁产生磁场的方向代入上式可得：(为旋磁比，不同的核，其值不同)将3、核磁在外磁场中的行为1）核磁与外磁场H0之间的作用能P是空间量子化的，在直角坐标Z轴上的分量Pz取一些分立的值：式中：m是核的磁量子数，其值等于-I,I+1,…I-1,I。故Pz能取(2I+1