生产核磁共振的条件，你知道吗？

原子由原子核和电子组成,原子核由质子和中子构成。某些原子核能绕核轴作自旋运动,自旋量子数I是每个质子和中子自旋的量子数合量,与原子序数Z及原子核质量数A有关。原子核是带正电荷的粒子,多数原子核的电荷能绕核轴自旋,形成一定的自旋角动量p,同时,这种自旋现象像电流流过线圈一样能产生磁场,因此具有磁矩μ,其关系可用下式表示

比例因子γ称为磁旋比,不同的原子其值不同。p的绝对值可用下式表示

因此,原子核的磁矩

h为普朗克常量,自旋量子数I≠0的原子核都具有磁矩。

根据实验,原子核的自旋量子数I与原子核的质子数和中子数有关。有如下三种情况:

①I=0的原子核:16O,12C,22S等,原子核无自旋,没有磁矩,不产生共振吸收,无核磁共振信号;

②I=1和I>1的原子核:I=1如2 H和14 N;I=3/2如11 B,35 Cl,79 Br,81 Br;I=5/2如17 O和127I,这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体,电荷分布不均匀,共振吸收复杂,研究应用较少;(www.zuozong.com)

③I=1/2的原子核:如1H,13C,19F,31P,原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并像陀螺一样自旋,有磁矩产生。它们的NMR谱线窄、易于检测,是核磁共振研究的主要对象。C、H也是有机化合物的主要组成元素。

一般情况下,自旋磁矩可任意取向,但将其放入外加磁场H0中,由于磁矩和磁场的相互作用,核磁矩的取向是量子化的,取向数可用磁量子数m表示,m=I,I-1,…,(I-1),-I,共2I+1个。

按照量子力学的观点,自旋量子数为I的原子核在外磁场中有2I+1个不同的取向,分别对应于2I+1个能级,也就是说原子核磁矩在外磁场中能量也是量子化的,这些能级的能量为

根据量子数的选择定则,磁能级跃迁的条件是Δm=±1,因此跃迁的能量变化ΔE为

式(8.8)表明,当原子核在外磁场中所吸收的电磁波等于能级之间的能量差时,则可使原子核发生自旋能级跃迁,从而产生核磁共振。

综上所述,核磁共振的产生条件:在外加磁场中,自旋的原子核具有不同的能级,若采用一特定频率ν的电磁波照射样品,保证ν=ν0,原子核可以产生能级间的跃迁,产生核磁共振,即ν=ΔE/h=γH0/(2π)=ν0。简单而言,可概述为:①核有自旋(磁性核);②外磁场,能级裂分;③照射频率与外磁场的比值ν0/H0=γ/(2π)。