原子核的自旋
原子结构知识：原子结构中电子自旋和核自旋
原子结构知识：原子结构中电子自旋和核自旋原子是构成物质的基本单位，其结构包括核和围绕核运动的电子。
在原子结构中，电子自旋和核自旋是两个非常重要的物理概念，它们对原子的性质和行为都有重要影响。
一、电子自旋1.电子自旋的概念电子自旋是电子固有的一种内禀性质，它并不是电子真正的旋转运动，而是描述电子的一种量子性质。
电子自旋可以用两种态来描述，即上自旋态和下自旋态，分别用↑和↓表示。
这两种态是对应于电子自旋在空间中的两个方向，它们之间没有中间态。
2.电子自旋的测量电子自旋的测量是基于量子力学的原理，它具有不确定性。
当进行电子自旋的测量时，不可能同时测量出电子的位置和自旋方向。
根据量子力学的测不准原理，测量电子的自旋方向会使得其位置的不确定性增加，反之亦然。
3.电子自旋的性质电子自旋在原子结构中具有重要的作用。
它决定了原子在外加磁场下的行为，从而影响了原子的磁性。
电子自旋还与化学键的形成和原子光谱的性质有关。
由于电子自旋的存在，原子的能级结构会呈现出一些特殊的规律，如Pauli不相容原理等。
4.康普顿散射电子自旋还与康普顿散射现象相关。
康普顿散射是指X射线与物质中的自由电子相互作用而发生散射的现象。
在康普顿散射中，X射线会与电子的自旋磁矩相互作用，使得散射角度发生变化，从而可以用来测量电子的自旋。
二、核自旋1.核自旋的概念核自旋是核子固有的自旋角动量，通常用I来表示。
与电子自旋类似，核子的自旋也具有量子性质，即其自旋角动量只能取离散的数值。
在自然界中，存在很多核素，它们的核自旋可以是整数或半整数。
2.核自旋的性质核自旋是核物理研究的重要参数之一，它与原子核的稳定性、核衰变、核磁共振等现象密切相关。
核自旋还可以影响原子的磁性和核荷分布，从而影响原子的化学性质。
3.核自旋共振核自旋可以通过核磁共振技术来研究。
核磁共振是一种利用核自旋的方法来研究物质结构和性质的技术。
在核磁共振中，外加磁场使得具有核自旋的原子核产生共振吸收信号，从而可以得到有关原子核的信息。
名词解释
核素：具有相同质子数Z 和中子数N 的一类原子核，称为一种核素。
同位素：质子数相同，中子数不同的核素称为同位素。
同中子素：中子数相同，质子数不同的核素称为同中子数，或称同中异位素。
同量异位素：质量数相同，质子数不同的核素称为同量异位素。
同核异能素：质量数和质子数均相同（当然中子数也相等），而能量状态不同的核素称为同核异能素。
镜像素：质子数和中子数互换的一对原子核，称为镜像素。
原子核的自旋：原子核的角动量，通常称为核的自旋。
衰变常量（λ）：衰变常量λ是在单位时间内每个原子核的衰变概率。
它的量纲是时间的倒数。
t e N N λ-=0；dtN N d -=λ（分子N N d -表示每个原子核的衰变概率） 放射性活度（A ）：在单位时间内有多少核发生衰变，亦即放射性核素的衰变率dtdN -，或叫放射性活度A 。
t t e A e N N dtdN A λλλλ--===-≡00 半衰期（21T ）：半衰期21T 是放射性原子核衰减到原来数目的一半所需的时间。
ττλλ693.02ln 693.02ln 21====T 平均寿命（τ）：平均寿命τ是指放射性原子核平均生存的时间。
平均寿命和衰变常量互为倒数。
λτ1= 核的结合能：原子核的质量比组成它的核子的总质量小，表明由自由核子结合而成原子核的时候，有能量释放出来。
这种表示自由核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能。
核素的结合能用),(A Z B 表示，它与核素的质量亏损),(A Z M ∆关系是：2),(),(c A Z M A Z B ∆= 比结合能：原子核平均每个核子的结合能又称为比结合能，用ε表示。
A B /=ε比结合能表示了若把原子核拆成自由核子，平均对于每个核子所需要做的功。
比结合能ε的大小可用以标志原子核结合得松紧的程度。
ε越大的原子核结合得越紧；ε较小的原子核结合得较松。
质量亏损：组成某一原子核的核子质量和与该原子核质量之差称为原子核的质量亏损。
核磁
a b CH3CH2I —CH3中的氢核 2个Hb 的自旋取向 外磁场方向 Ha使Hb共振峰 的裂分 各峰面积比 1:2 :1 1 :3 :3 :1 Ha Hb —CH2中的氢核 3个Ha 的自旋取向 外磁场方向 Hb使Ha共振峰 的裂分 各峰面积比
(二)自旋-自旋弛豫
处于高能态的核自旋体系将能量传递给邻近低能态同类磁 自旋性核而回到低能态的过程，称为自旋 自旋弛豫， 性核而回到低能态的过程，称为自旋-自旋弛豫，自旋体系的总 能量没有改变。自旋-自旋弛豫时间用T 表示。 能量没有改变。自旋-自旋弛豫时间用T2表示。
弛豫过程有两种，但对于自旋核而言， 弛豫过程有两种，但对于自旋核而言，总是要通过最有 效的途径达到弛豫的目的。实际的弛豫时间取决于T 效的途径达到弛豫的目的。实际的弛豫时间取决于 1和T2中 较短的。 较短的。
ν = γ B0 （1-σ）/ (2π ) ） π
ρ
电
，屏蔽作用
由于屏蔽作用，共振频率降低。若要维持核以原有的 由于屏蔽作用，共振频率降低。 频率共振，则外磁场强度必须增强。 频率共振，则外磁场强度必须增强。电子云密度和核 所处的化学环境有关， 所处的化学环境有关，这种因核所处化学环境改变而 引起的共振条件（核的共振频率或外磁场强度） 引起的共振条件（核的共振频率或外磁场强度）变化 的现象称为化学位移 化学位移。 的现象称为化学位移。
一、原子核的自旋和自旋角动量
原子核有自旋运 动，在量子力学中用 自旋量子数I描述原 子核的运动状态。 子核的运动状态。而 I的值与与原子核中 的质子数和中子数有 关。
质量数 质子数 偶数 偶数 中子数 偶数 自旋量 子数I 子数I
0
核磁性 无
实例
12C,16O, 32S
核磁共振基本原理
核具有自旋，即为磁性核。 △m=±1 ：跃迁只能发生在两个相邻的能级之间 照射频率必须等于核的进动频率，即满足
ν 0 =ν
实现核磁共振就是改变照射频率或磁场强度， γ 以满足 ν 0 = B0 条件。 2π
• 连续波模式谱仪（CW）：采用在要求的频率范围
内慢慢扫描磁场方式照射，目标谱图中吸收的能量以频率 形式被记录下来。
化学位移的影响因素
1. 单键的各向异性
δHe> δHa
化学位移的影响因素
2. 双键的各向异性：在双键(C=C 双键和羰基C=0)平 双键的各向异性：
面的上、下部分电子云密度大，双键上下为两个锥形 的屏蔽区；双键的平面上为去屏蔽区。
化学位移的影响因素
3. 炔键的各向异性 炔氢有一定的酸性，可见其外围 炔键的各向异性：
化学位移的影响因素
3. 相连碳原子上取代基的共轭效应
4. 空间效应：空间靠近的核的电子云受到范德华作用相互 排斥而密度减少。
化学位移的影响因素
化学键的磁各向异性： 化学键的磁各向异性：化学键尤其是π键将产生一
个小磁场，并通过空间作用影响邻近的氢核。其特征是有 方向性，所以叫各向异性效应。 • 这种各向异性的小磁场，有些区域在方向上与外加磁场一 致，将增强外加磁场的作用，使受影响的1H 核的共振移 向低场，δ值增大，这是去屏蔽效应，用“―”表示。有些地 方的小磁场方向与外加磁场方向相反，削弱了外加磁场， 受影响的氢核的共振移向高场，δ值减小，是屏蔽效应， 用"十"表示。
2π
B0
当v0 =v时，照射的电磁波就与核磁矩发生作用，使处于低 能级的核吸收电磁波的能量跃迁到高能级，核磁矩对B0 的取 向发生倒转。这种现象叫做核磁共振。 共振频率v为 共振频率 为
核磁共振 氢原子-概述说明以及解释
核磁共振氢原子-概述说明以及解释1.引言1.1 概述核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）是一种重要的物理现象和应用技术。
它基于原子核在外加磁场的作用下发生的一系列特定能级间的能量差跃迁和辐射吸收，能够提供有关物质分子结构、动力学行为以及它们与周围环境的相互作用等信息。
核磁共振技术的发展在许多领域都产生了广泛的应用，特别是在化学、物理、生物医学等领域。
在化学上，核磁共振通过分析分子中的原子核相互作用和化学环境，为确定分子结构提供了一种无破坏性的方法。
在物理上，核磁共振可以用来研究固体、液体和气体等材料的性质，揭示它们微观水平上的行为。
在生物医学中，核磁共振成为非常重要的成像技术，通过对人体内部组织和器官的核磁共振信号进行采集和分析，可以提供高分辨率的影像信息，帮助医生进行疾病的诊断和治疗。
而氢原子的核磁共振特性则是核磁共振技术中最为常见和重要的一种现象。
氢原子是宇宙中最常见的原子之一，具有最简单的原子结构，只有一个质子和一个电子。
由于质子具有核自旋，因此氢原子在外加磁场下可以产生明显的核磁共振信号。
这使得氢原子成为核磁共振技术中最广泛研究和应用的对象。
通过对氢原子的核磁共振信号的分析和解释，我们可以了解物质分子在不同环境中的化学性质、构象以及它们与其他分子之间的相互作用。
这对于药物设计、材料科学、生物化学等领域的研究和实践都具有重要的意义。
在本文中，我们将从核磁共振的基本原理和氢原子的核磁共振特性两个方面展开讨论。
首先，我们将介绍核磁共振的基本原理，包括能级跃迁、共振频率以及信号的采集和分析等核心内容。
然后，我们将深入探讨氢原子在核磁共振中的作用，包括氢原子核磁矩、化学位移以及磁共振成像等相关知识。
通过对核磁共振和氢原子核磁共振特性的详细介绍和分析，我们希望能够更好地理解和应用这一重要的科学技术，同时也展望核磁共振在科学研究中的未来发展和挑战。
接下来的章节将进一步探讨核磁共振在科学研究中的实际应用以及氢原子核磁共振的前景和问题。
核磁共振波谱法基本原理
核磁共振波谱法基本原理核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）是一种利用核磁共振现象进行分析的方法。
核磁共振是基于原子核的特定性质，在外加磁场作用下，原子核能够吸收具有特定频率的电磁波并发生共振现象的现象。
该方法通过检测不同原子核的共振信号来获取样品的结构和组成信息。
核磁共振波谱法基于原子核中的自旋（Spin）性质。
自旋是描述原子核内部的一种性质，可以与外加磁场相互作用。
在没有外加磁场作用下，原子核的自旋朝向是随机的。
然而，当样品置于强磁场中时，原子核的自旋会排列在不同能级上。
这些能级之间存在能量差，当这些能级之间的能量差等于外加电磁波的能量时，原子核就会发生共振吸收。
核磁共振波谱仪的基本构造包括磁场系统、射频系统、探测系统和计算机系统。
磁场系统用来产生强磁场，常见强磁场有永磁磁体、超导磁体等。
射频系统则用来产生特定频率的电磁波，以激发样品中的原子核共振吸收。
探测系统用来接收样品发出的信号，并将其转化为电信号，进一步处理和分析。
计算机系统则用来进行数据处理和结果分析。
在进行核磁共振波谱实验时，首先将样品放置于磁场中，样品中的原子核会受到磁场的作用，并分裂为不同能级。
接下来，通过调节射频系统产生特定频率的电磁波，激发样品中的原子核发生共振吸收。
这时，探测系统会接收样品发出的共振信号，并将其转化为电信号。
最后，计算机系统会对接收到的信号进行数学处理，生成核磁共振波谱图。
核磁共振波谱图是核磁共振波谱法的主要结果，可以提供关于样品的结构和组成的信息。
波谱图中的共振信号对应于不同原子核的吸收峰，其化学位移（Chemical Shift）可以帮助确定样品中的不同官能团或基团。
同时，共振信号的相对积分面积可以提供定量分析所需的信息。
总体而言，核磁共振波谱法通过利用原子核在磁场中的共振吸收现象，能够提供丰富的结构和组成信息。
它在有机化学、无机化学、生物化学等领域有着广泛的应用，成为了一种重要的分析手段。
原子核的自旋
If: j≥I, F有2I+1个值 I≥j, F有2j+1个值。
由此可见，原来F为定值的能级又分裂成2I+1或2j+1个具有不同F 值的子能级，这种子能级之间的距离，比由不同j值的能级之间的 距离要小得多。从而造成了原子光谱的超精细结构。
如Na的3S1/2能级，它最靠近原子核，受核自旋影响最大。 对于3S1/2态，l=0, 则其电子的角动量j=1/2 则原子的总角动量取值为：F=I+1/2，I-1/2。 所以：3S1/2能级分裂成具有不同F值的两个能级。 3P1/2和3P3/2能级也将分裂，但它们分裂非常小。 由于3S1/2能级一分为二，则由3P1/2跃迁到3S1/2的D1线变成双线， 由3P3/2跃迁到3S1/2的D2线也变成双线。
当前两种方法都不适用时，则可用此方法。
例如：Na原子D线的超精细结构。
由于它是由3S1/2能级分裂成两个子能级而引起，且j=1/2。 则：I ≥j，第一种方法不适用。
又因为：3S1/2能级只可能分裂为两个子能级，所以只有一个能 量间距，则第二种方法也不行。
实验测得D1线（或D2线）的两超精细谱线的相对强度之比为5:3.
说明：间距法仅适用于I>1/2, j>1/2情况。
例：实验发现铋的λ=4722Å谱线分裂成6条。
λ=4722Å对应于 D3 的S跃1 迁，发现能级的分裂数分别为4和2，
2
2
即分裂成2j+1个子能级。
所以： I > j
实验测得D3/2的四个子能级的间距比为 6:5:4 则由间距法有：I + j = 6
§1.4 原子核的自旋
1、核自旋的提出
第3-4章 核磁共振-2016年修订
磁量子数ｍ＝－1/2;
波谱分析
( 核磁共振现象)
两种取向不完全与外磁场平行，＝54°24’ 和 125 °36’
相互作用, 产生进动(拉莫进动)
进动频率 0； 角速度0； 0 = 2 0 = H0 磁旋比； H0外磁场强度；
两种进动取向不同的氢核之间
的能级差：E= H0 （磁矩）
a. δ3.38和δ 1.37 四重峰和三重峰 —CH2CH3相互偶合峰
b. δ 3.38含有—O—CH2 —结构 结构中有三个氧原子，可能具有(—O—CH2 —)3 c. δ 5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连
O CH2CH3
正确结构： HC O CH2CH3
O CH2CH3
波谱分析
谱图解析与结构(3)
由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的 信息，进一步确定化合物结构。
波谱分析
四、核磁共振波谱仪
1．永久磁铁：提供外磁 场，要求稳定性好，均匀，
不均匀性小于六千万分之 一。扫场线圈。
2 ．射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频
率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。
3 ．射频信号接受器（检
电负性
与质子相连元素的电负性 越强，吸电子作用越强，价 电子偏离质子，屏蔽作用减 弱，信号峰在低场出现。
-CH3 ， =1.6~2.0，高场；
-CH2I， =3.0 ~ 3.5,
-O-H，
-C-H，
大
小
低场
高场
波谱分析
各向异性
价电子产生诱导磁 场，质子位于其磁力线 上，与外磁场方向一致， 去屏蔽。
波谱分析
价电子产生诱导磁 场，质子位于其磁力线 上，与外磁场方向一致， 去屏蔽。
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原子核的自旋
核磁共振用NMR(Nuclear Magnetic Resonance)为代号。
I为零的原子核可以看作是一种非自旋的球体，I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P的I均为1/2，它们的原子核皆为电荷分布均匀的自旋球体。
I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布不均匀的自旋椭圆体。
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(μ)。
公式中，P是角动量，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角动量之间的比值，
当自旋核处于磁场强度为H0的外磁场中时，除自旋外，还会绕H0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相象，称为进动，见图8-1。
自旋核进动的角速度ω0与外磁场强度H0成正比，比例常数即为磁旋比γ。
式中v0是进动频率。
微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的，自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下只可能有2I+1个取向，每一个取向都可以用一个自旋磁量子数m来表示，m与I之间的关系是：
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，其能量可以从下式求出：
正向排列的核能量较低，逆向排列的核能量较高。
它们之间的能量差为△E。
一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收△E的能量。
让处于外磁场中的自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。
这种现象称为核磁共振，简称NMR。
目前研究得最多的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有较大的发展。
1H的核磁共振称为质磁共振（Proton Magnetic Resonance），简称PMR，也表示为1H-NMR。
13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）简称CMR，也表示为13C-NMR。
1H的核磁共振
1H的自旋量子数是I=1/2，所以自旋磁量子数m=±1/2，即氢原子核在
外磁场中应有两种取向。
见图8-2。
1H的两种取向代表了两种不同的能级，因此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的进动频率，即符合下式。
核吸收的辐射能大？
式（8-6）说明，要使v射=v0，可以采用两种方法。
一种是固定磁场强度H0，逐渐改变电磁波的辐射频率v射，进行扫描，当v射与H0匹配时，发生核磁共振。
另一种方法是固定辐射波的辐射频率v射，然后从低场到高场，逐渐改变磁场强度H0，当H0与v射匹配时，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。
在外磁场的作用下，1H倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比处于高能态的核数目多，但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势。
1H-NMR的讯号正是依靠这些微弱过剩的低能态核吸收射频电磁波的辐射能跃迁到高能级而产生的。
如高能态核无法返回到低能态，那末随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步减弱直至消失，此时处于低能态的1H核数目与处于高能态1H核数目相等，与此同
步，PMR的讯号也会逐渐减弱直至最后消失。
上述这种现象称为饱和。
1H核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态，这种过程称为弛豫，因此，在正常测试情况下不会出现饱和现象。
弛豫的方式有两种，处于高能态的核通过交替磁场将能量转移给周围的分子，即体系往环境释放能量，本身返回低能态，这个过程称为自旋晶格弛豫。
其速率用1/T2表示，T2称为自旋晶格弛豫时间。
自旋晶格弛豫降低了磁性核的总体能量，又称为纵向弛豫。
两个处在一定距离内，进动频率相同、进动取向不同的核互相作用，交换能量，改变进动方向的过程称为自旋-自旋弛豫。
其速率用1/T2表示，T2称为自旋-自旋弛豫时间。
自旋-自旋弛豫未降低磁性核的总体能量，又称为横向弛豫。