核磁共振波谱法(NMR)是通过测量原子核对射频辐射(4～800 MHz)的吸收来确定有机物或某些生化物质的结构、构型和进行化学研究的一种极为重要的方法。

13.5.1核磁共振基本原理

从本质上来讲，核磁共振波谱法属于吸收光谱法，只不过研究的对象比较特殊：处于强磁场中的具有磁性的原子核对能量极小的电磁辐射进行的吸收。

13.5.1.1原子核的自旋

某些原子核有自旋现象，因而核具有自旋角动量(P)，又由于原子核是由质子和中子组成的，所以自旋时会产生磁矩。自旋核就像一个小磁体，其磁矩用u表示。各种原子核自旋时产生的磁矩是不同的，磁矩的大小是由核本身性质决定的。自旋角动量与核磁矩都是矢量，其方向是平行的，如图13-35所示。

图13-35 原子核的角动量和磁矩

自旋角动量(P)不能取任意值，根据量子力学原理P是量子化的，它的大小是由自旋量子数(I)决定的。

原子核的总角动量

式中，I为自旋量子数。

一种原子核有无自旋现象，可按经验规则用自旋量子数I判断。对于指定的原子核^a_zX。

①凡是质量数a与原子序数z为偶数的核，其自旋量子数I=0，没有自旋，如¹²₆C、¹⁶₈O和³²₁₆S等原子核没有核磁共振现象。

②质量数a是奇数，原子序数z是偶数或奇数，如¹₁H、¹³₆C、¹⁹₉F、¹⁵₇N、和³¹₁₅P等，原子核I=1/2，还有一些核，如¹¹₅B,³⁵₁₇C1和⁷⁹₃₅Br等，I=3/2，都有自旋现象。

③²₁H，¹⁴₇N核质量数a是偶数，原子序数z是奇数，它们的I=1，这类核也存在自旋现象。

由此可见，I=0的原子核无自旋；质量数是奇数，自旋量子数I是半整数；质量数是偶数，则自旋量子数J是整数或零。凡I>0的核都有自旋，都可以发生核磁共振，但是由于I≥1的原子核的电荷分布不是球形对称的，都具有四极矩，电四极矩可使弛像加快，反映不出偶合裂分，因此核磁共振不研究这些核，而主要研究I=1/2的核，它们的电荷分布是球形对称的，无电四极矩，谱图中能够反映出它们相互影响产生的偶合裂分。

13.5.1.2核磁共振现象

原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩。磁矩u在数值．上等于磁旋比γ与自旋角动量P的乘积(u=rP)。

微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的(方向量子化)，自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+I个取向，每一个取向都可以用一个磁量子数m来表示，m与I之间的关系为：

m=I，I-1,I-2，…，-I

原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，m值为1/2的核在外磁场作用下只有两种取向，各相当于时，自旋取向与外加磁场一致，能量较低；时，自旋取向与外加磁场方向相反，能量较高。这两种状态之间的能量差△E值为：

当自旋核处于磁感应强度为B₀的外磁场中时，除自旋外，还会绕B₀运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动。回旋频率v₁与外加磁场呈正比：

式中，r为磁旋比；B₀为外加磁场。

若在的垂直方向用电磁波照射，核可以吸收能量从低能级跃迁到高能级，吸收的电磁波的能量为△E，即

其中吸收的电磁波的频率为：

当核的回旋频率与吸收的电磁波频率相等，即v₁＝v₂时，核会吸收射频能量，由低能级跃迁到高能级。这种现象叫作核磁共振。

一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收AE的能量。让处于外磁场中的白旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态，即发生核磁共振。核磁共振的基本关系式为：

同一种核，r为常数，磁场B₀强度越大，共振频率越大。在进行核磁共振实验时，所用的磁场强度越高，发生核磁共振所需的射频频率也越高。

目前研究得最多的是¹H的核磁共振和¹³C的核磁共振。¹H的核磁共振称为质子磁共振，简称PMR，也表示为¹H NMR。¹³C核磁共振简称CMR，也表示为¹³C NMR。

通过上述可知，使¹H发生核磁共振的条件是必须使电磁波的辐射频率等于¹H的回旋频率。可以采用两种方法达到这个要求：一种方法是扫频，逐渐改变电磁波的辐射频率v₂当辐射频率与外磁场感应强度B₀匹配时，即可发生核磁共振；另一种方法是固定辐射波的辐射频率，然后从低场到高场，逐渐改变外磁场感应强度，当B₀与电磁波的辐射频率v₂匹配时，也会发生核磁共振，这种方法称为扫场。一般仪器都采用扫场的方法。

相关链接：质谱法的应用

文章来源：《分析化学分析方法的原理及应用研究》

版权与免责声明：转载目的在于传递更多信息。

如其他媒体、网站或个人从本网下载使用，必须保留本网注明的"稿件来源"，并自负版权等法律责任。

如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起两周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。