（朱清仁教授版）核磁共振基礎(chǔ)原理ppt課件.ppt

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1、核磁共振基礎(chǔ)原理中國(guó)科技大學(xué)理化科學(xué)中心朱清仁教授2004年8月孤立原子核（I=1/2）的自旋由質(zhì)子+中子組成，正電荷分布在表面I>1/2的核呈非球形分布，例如橢球形或叫四極矩核。1、基本概念A(yù)、原子核的磁矩與核自旋（自旋量子數(shù)I）：原子核具有自旋運(yùn)動(dòng)。核電荷為正，由電磁學(xué)產(chǎn)生磁場(chǎng)，可以擬作磁針看待，是一個(gè)矢量B、核自旋，由力學(xué)可知，在磁場(chǎng)中具有自旋角動(dòng)量表達(dá)式是量子化的（即空間量子化取向）C、與的關(guān)系：定義為常數(shù)，叫旋磁比（又叫磁旋比）。與性質(zhì)有關(guān)，是某核－類同位素的特征常數(shù)，可以查表。D、與電子自旋比

2、較：（可叫核磁子），（電子波爾磁子）電子總磁矩，其中。一般只有自旋磁矩。因此，核自旋比電子自旋小1840倍。所以，從這一點(diǎn)可以看出，核磁共振靈敏度能級(jí)差要比ESR小1000倍。E、中子具有磁矩，但不能用此來定義，因?yàn)樗粠щ姾?。?yīng)根據(jù)中子磁矩在磁場(chǎng)中的受力作用來定義,并以此來測(cè)量。不能從關(guān)系式求各核的磁矩，只能通過NMR（NuclearMagneticResonance)技術(shù)來精確測(cè)定出來。能顯示出核磁共振現(xiàn)象的同位素核叫NMR核。只有當(dāng)?shù)囊活愅凰睾瞬拍苡蠳MR效應(yīng)，叫NMR核。奇偶規(guī)則：如果上述各對(duì)參

3、數(shù)均為偶數(shù)時(shí)，I＝0，叫“偶偶無NMR”。2、NMR核的判別規(guī)則質(zhì)量數(shù)A質(zhì)子數(shù)Z中子數(shù)NI例子偶數(shù)偶數(shù)偶數(shù)012C616O832S164Ne220Ne10奇數(shù)偶數(shù)奇數(shù)1/2，3/2，5/21n03He213C617O8奇數(shù)奇數(shù)偶數(shù)1/2，3/2，5/231P151H111B515N719F9偶數(shù)奇數(shù)奇數(shù)1，2，3……2H1（2D）10B514N7自然界共有約一百三四十種NMR核。I=1/2的核是球?qū)ΨQ的，無電四極矩，對(duì)NMR特別重要，容易得到高分辨NMR譜和高質(zhì)量的MR圖像。如1H，13C，19F，31P

4、，3He，129Xe等等。I>1/2的核是橢球形的，有電四極矩，因?yàn)殡娝臉O矩與電場(chǎng)梯度相互作用相當(dāng)強(qiáng)，對(duì)NMR干擾相當(dāng)大，從而使NMR信號(hào)觀察要困難得多。如23Na自旋I＝3/2，對(duì)人體成像也是常用的核，實(shí)驗(yàn)上要注意。3、塞曼（Zeeman）能級(jí)的核在外磁場(chǎng)中（也可以是交變場(chǎng)），在理論討論時(shí)，一般視為靜磁場(chǎng)Ho（方向取Z軸），則的NMR核的磁矩受到一個(gè)力矩從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)原理，應(yīng)轉(zhuǎn)向與平行的方向，使其勢(shì)能最低微觀粒子必須遵守量子力學(xué)規(guī)律，的方向不是完全與平行，而是呈一夾角θ，自旋受磁場(chǎng)恒力作用，在此力矩作用

5、下，軸繞以一定角速度進(jìn)動(dòng)，于是角動(dòng)量在Z軸的投影JZ是量子化的這樣在Z軸上的投影也對(duì)應(yīng)有（2I＋1）個(gè)取值，相應(yīng)于（2I＋1）個(gè)能級(jí)。定義：在無磁場(chǎng)時(shí)，這些基態(tài)能級(jí)是簡(jiǎn)并的；有磁場(chǎng)時(shí)，簡(jiǎn)并就被解除，產(chǎn)生不同的能級(jí)。這種能級(jí)分裂的現(xiàn)象叫做Zeeman分裂，這種磁能級(jí)叫Zeeman能級(jí)。Zeeman能級(jí)特點(diǎn)：①能級(jí)間是等間距的；②能級(jí)差△E值為核磁矩繞的進(jìn)動(dòng)模式圖核自旋I＝1/2和3/2在外場(chǎng)B0方向的投影（a）Zeeman磁能級(jí)；（b）自旋磁矩相對(duì)于外場(chǎng)B0的取向。這里>04、平衡態(tài)與玻爾茲曼分布（Bolt

6、zmann）①、在磁場(chǎng)下的Zeeman分裂能級(jí)上，I＝1/2的兩種能態(tài)上的粒子幾率分布符合Boltamann分布若磁場(chǎng)強(qiáng)度Ho＝1.4092T（1T＝104G），T＝298K，則即在室溫下，處于低能態(tài)（＋1/2）的核數(shù)只比高能態(tài)高出約百萬分之十，僅相當(dāng)于1mol水上升1oC所需能量的1/600稍多一點(diǎn)。但正是這一種平衡態(tài)的維持，才能導(dǎo)致有凈的能量吸收的可能性，所以保持這一平衡態(tài)很重要。②、核弛豫當(dāng)不斷供給能量，核自旋體系吸收后，高能態(tài)核粒子數(shù)大于低能態(tài)數(shù)，偏離平衡態(tài)，不能有NMR吸收，這時(shí)叫“飽和”。因此

7、，必須存在一種機(jī)制，使體系維持nl>nh，即不斷回復(fù)到平衡態(tài)，以維持低能態(tài)粒子數(shù)有過量的占有數(shù)，這一過程叫核弛豫。核弛豫途徑分為兩種：a.自旋－晶格弛豫（核環(huán)境因素），與T1有關(guān)；b.自旋－自旋弛豫（核自旋內(nèi)部之間交換能量），與T2有關(guān)。5、描述核磁共振理論或共振條件的方法①、根據(jù)文獻(xiàn)，目前通常有兩種描述方法。核自旋產(chǎn)生的核磁矩在磁場(chǎng)方向（Z軸）取向是不連續(xù)的，是量子化取向，如I＝1/2的核，Iz的取值為－1/2,+1/2兩個(gè)態(tài)，可見在量子力學(xué)矢量空間（又叫希伯特（Hilbert）空間）處理是嚴(yán)密的。通常

8、將兩相反的矢量用兩個(gè)Dirac符號(hào)，即基矢∣1/2>、∣－1/2>表示（又稱為右矢，自旋算符）。自旋態(tài)不能任意取向，所以用上述的∣1/2>、∣－1/2>展開，系數(shù)分別為a、b，則可得到態(tài)矢量＝a∣1/2>＋b∣－1/2>A、量子力學(xué)矢量空間描述，用自旋算符∣I>、∣－I>當(dāng)自旋軸與量子化Z軸之間的夾角為θ時(shí)，這種展開又叫態(tài)的疊加。但量子力學(xué)矢量空間的兩個(gè)矢量∣1/2>、∣－1/2>是相互正交的。在Bloch三維空間中，這兩個(gè)矢