这里会整理出一些我学习的核磁共振波谱学相关知识,参考资料和书籍会放在结尾。不具有专业背景,可能会有一些错误和不严谨的地方,欢迎指出。

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J. Phys. Chem. C 2023, 127, 4425−4438 (单纯当个封面)

J. Phys. Chem. C 2023, 127, 4425−4438 (单纯当个封面)

1 核磁共振的基本概念和原理

1.1 基本原理

核磁共振现象最早在1946年观测到的,大约从1960年开始用于有机化学的研究,目前该技术被广泛应用于研究物质的组成和化学结构,可以说:几乎任何有机或生物分子以及许多无机分子的结构测定都始于核磁共振光谱学。

一些原子核有核自旋,自旋的存在是的这些原子核的行为很像磁棒,在外加磁场的作用下,核磁体自身可以用$2I+1$。

最简单的氢原子几乎存在于所有有机化合物中,由单个质子和一个电子组成。氢原子表示为$^1H$,其中上标表示原子质子和中子的总和,即元素的原子质量。就核磁共振而言,氢原子核的关键方面是其角动量特性,类似于经典旋转粒子的角动量特性。因为旋转的氢原子核带正电,它会产生磁场并具有磁矩$μ$,就像在圆圈中移动的电荷会产生磁场一样。磁矩$μ$是一个矢量,因为它同时具有大小和方向。

较重元素原子核中质子和中子的自旋特性结合在一起,定义了原子核的整体自旋。当原子序数(质子数)和原子质量(质子和中子之和)都是偶数时,原子核没有磁性,如其自旋量子数$I=0$所示。这样的原子核被认为是不旋转的。常见的非磁性(非旋转)原子核是碳($^{12}C$)和氧($^{16}O$),因此不存在核磁共振光谱。当原子序数或原子质量为奇数时,或当两者都为奇数时,原子核具有与自旋相对应的磁性

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上图给出了一些自旋量子数和自旋情况的关系,可以看到:

塞曼效应给出:在没有外加磁场的情况下,同位素的核磁体具有相同的能量。当给原子核施加一个强磁场$B_0$,磁场场沿着被指定为z轴的方向时,样品中原子核的能量会受到影响。如下图所示:

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在外加磁场作用下,自旋为1/2的原子核在量子化过程中只会存在上面两种进动方式,同时,沿着两个方向京东的原子核相对比例遵循玻尔兹曼分布:

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