固体核磁共振 基础原理
固体核磁共振 基础原理
固体核磁共振19.1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体，则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类：样品部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。
前者主要是样品在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力，这主要包括：化学环境的信息（分子中由于在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等），分子与分子间偶极自旋偶合相互作用，对于自旋量子数为>1/2的四极核尚存在四极作用。
外部环境施加与样品的主要作用有：1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用（Zeeman Interaction）, 核子相对映的频率为拉莫尔频率（Larmor Frequency）;2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。
与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路，在固体核磁共振实验中也是首先利用强的静磁场是样品中核子的能级发生分裂，例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级，一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低；另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。
经能级分裂后，处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变，并且符合波尔兹曼分布原理：即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少，最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。
此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。
由于这种射频脉冲施加的时间只是微秒量级，施加完射频脉冲后，体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。
在磁化矢量的恢复过程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化学位移，J-偶合等相对较弱的相互作用，而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。
但是在固体核磁共振实验中，由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
有机 固态核磁
有机固态核磁
有机固态核磁共振（NMR）是一种用于研究有机化合物的结构和动力学的非常有用的技术。
它是一种基于核磁共振现象的分析方法，可以
通过观察分子中原子核的行为来确定分子的结构和化学性质。
有机固态核磁共振的原理是基于核磁共振现象。
当原子核处于磁场中时，它会产生一个自旋磁矩。
当外加一个射频场时，原子核会吸收能
量并发生共振。
通过测量吸收的能量和共振频率，可以确定原子核的
化学位移和化学环境。
有机固态核磁共振的应用非常广泛。
它可以用于研究有机化合物的结构、动力学和反应机理。
例如，可以用有机固态核磁共振来确定有机
化合物的立体构型、分子间相互作用和分子内动力学。
此外，有机固
态核磁共振还可以用于研究催化剂、聚合物和生物大分子等复杂体系。
有机固态核磁共振的优点在于它可以在固态下进行测量，因此可以研
究固态化合物的结构和动力学。
此外，有机固态核磁共振还可以用于
研究非晶态和无序态的化合物，这些化合物在液态下很难研究。
有机固态核磁共振的缺点在于它需要高灵敏度的仪器和技术，因此成
本较高。
此外，有机固态核磁共振还需要对样品进行处理和制备，因
此需要一定的实验技能和经验。
总之，有机固态核磁共振是一种非常有用的技术，可以用于研究有机化合物的结构和动力学。
它的应用范围非常广泛，可以用于研究各种复杂体系。
虽然有机固态核磁共振存在一些缺点，但它的优点远远超过了缺点，因此在有机化学研究中得到了广泛的应用。
利用固体核磁共振技术研究材料结构
利用固体核磁共振技术研究材料结构固体核磁共振（solid-state nuclear magnetic resonance, ssNMR）技术是一种用来研究固体材料中原子结构和分子结构的重要工具。
与传统的质谱手段相比，ssNMR可以在不需要大量的分析样本的情况下，研究材料中原子和分子结构的细节，特别是在非晶态或无晶体结构中。
因此，固体核磁共振技术在材料科学领域得到了广泛应用。
固体核磁共振技术的原理是利用核磁共振现象，即核自旋与外磁场间的相互作用，通过一系列的脉冲序列和回波信号生成，确定材料中原子的排列方式、化学键的性质和分子的构象等信息。
与液态核磁共振不同，固态核磁共振的信号产生方式更复杂，需要通过优化仪器的设计和信号处理算法，来克服信号噪声等技术难题。
固体核磁共振技术在材料科学中的应用非常广泛。
其中，最常见的应用是研究催化剂、聚合物材料和电子器件等。
催化剂是其中的一个重要领域。
对于催化剂材料的研究，需要通过核磁共振技术来确定催化剂中活性位置的结构，确定反应机理的信息。
聚合物材料是另外一个常见的研究领域。
对聚合物材料分子结构的理解和确定，有助于优化聚合物的特性，提高材料性能。
电子器件则是近年来新兴的应用领域，例如，ssNMR技术可以用来研究高分子电解质和电极材料，以确定电池的性能和特性。
除了上述的应用，ssNMR技术还可以应用在其他领域，例如，医药和化学研究等。
医药研究中，ssNMR技术可以用来确定药物的结构和稳定性。
特别是在新药开发中，ssNMR技术可以帮助科学家确定新药分子的合成路径、理解药物与生物体的相互作用等。
在化学研究方面，ssNMR技术可以用来研究分子结构和物理性质，例如，固体材料的同位素效应、低维材料中个别分子的相互作用等。
在总结使用ssNMR技术的应用领域时，可以看到这项技术已经成为材料科学领域中必不可少的工具之一。
除了此外，还需要提到的是，核磁共振技术是一项现代科学技术的代表，随着技术的发展和新应用的出现，其应用前景也愈发广阔。
固体核磁共振简介
固体核磁共振简介彭路明南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室0. 从液体核磁共振到固体核磁共振核磁共振现象源于核自旋和磁场的相互作用，1945年由Edward Mills Purcell 和Felix Bloch分别发现。
核磁共振谱学从此日渐成为探索物质物理、化学、电子等性质和分子结构的重要工具。
在核磁共振中，有许多核自旋的相互作用，每一种都可能包含着丰富的结构和动力学信息，加上能够定量分析、对样品无损伤以及可针对特定的原子（核）等特点，使核磁共振成为一种十分理想的强大的分析手段。
在核磁共振的这些相互作用中，有一些是各向同性的相互作用，另一些则是各向异性的相互作用。
它们的区别在，前者对核磁共振信号频率的影响与分子的空间取向无关，而后者则有关，故后者可能因为被测分子空间取向的不同而造成谱线的宽化，导致分辨率和灵敏度的降低。
在液体中，由于分子的快速翻滚运动，消除了各种可能使谱线宽化的各向异性的核磁共振相互作用。
因此，液体核磁共振谱图中的共振信号十分尖锐，有很高的分辨率，这是液体核磁共振成为测定溶液中化合物结构的最强大的方法的原因之一。
但在固体中，由于上述分子运动的缺失导致核磁共振信号受到各向异性的相互作用影响而被展宽，分辨率和灵敏度低。
如果希望得到类似液体核磁共振所给出的信息，必须通过高分辨率固体核磁共振技术才能实现。
以下将分别简要介绍固体核磁共振中的一些重要相互作用以及部分高分辨率固体核磁共振技术。
1. 固体核磁共振中的相互作用核磁共振中核自旋的相互作用可以分为两大类：外部相互作用（external spin interactions ）和内部相互作用（internal spin interactions ）。
前者是核自旋和外部仪器设备产生的磁场（如静磁场，射频场）的相互作用。
后者则相反，是核自旋和样品本身所产生的磁场和电场的相互作用，这些作用包括屏蔽作用（化学位移，奈特位移，顺磁位移等），偶极作用（直接和间接），四极作用等等。
固体核磁共振波谱基本理论19年3月
z
dz
dt z 0
T1
x
x
T2
y
y
d
dt
T12
NMR与其它光谱学测试技术对比 有机波谱四大谱
在使用波谱方法研究确定物质的精细结构信息时，应互相 参照、相互补充。
如与经典的四大谱分析技术来比较， • 按测定灵敏度排序：
质谱＞紫外光谱＞红外光谱＞核磁共振； • 按获取物质的精细结构信息量排序：
b.自旋－自旋弛豫（核自旋内部之间交换能量），与T2有关。 z
x
x
T2
y
y
3、射频辐射与共振吸收—NMR谱信号
射频辐射（Radio Frequency Radiation．RFR）是非电离辐射的一部分，是频 率在0.3MHz～3000MHz，波长范围0.1m～1000m的能量较小、波长较长的频 段 ， 位 于 微 波 和 无 线 电 波 区 间 。 核 磁 共 振 使 用 的 一 般 在 百 MHz ， 例 如 400MHz，600MHz，800MHz等
dJ
故有 dt
动量 P mV ，角动量 J r mV
d J d [r mV ] [r m dV ] r ma r F
dt dt
dt
自旋角动量矩 ：当物体自
身旋转时产生的动量矩。例
如陀螺在重力场中的自旋运
动。
垂直地面轴 陀螺
பைடு நூலகம்
• 在Z轴上投影 z 为一不变量，即常数值。
这就是核磁共振条件的表达式。
(2)存在微小扰动场时，核磁矩、磁化矢量的运动方程和形式
加垂直射频磁场时，核磁矩的运动
•
如果除了z轴方向的 交变场 H1 。
NMR-固体核磁的应用
固体核磁共振的原理及应用Solid-state NMR and Its Applications教学内容：NMR发展简史固体NMR基本原理固体NMR研究多孔材料结构与性质原位NMR研究催化反应机理与动力学Mo/HZSM-5催化剂上甲烷芳构化反应多相催化剂上烯烃氧化反应(TS-1)和复分解反应(Mo/HBeta)CHA分子筛上甲醇转化反应单壁碳纳米管(CNTs)中分子的吸附和扩散NMR 发展简史1946年哈佛大学的Purcell 与斯坦福大学的Bloch 等人发现特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁，开辟了核磁共振分析的历史，因而获1952年诺贝尔物理学奖1951年Arnold 等发现乙醇的1H NMR 谱由三组峰（CH 3、CH 2、OH ）组成，发现了化学位移，进而发现了偶合现象，从而NMR 开始被化学家所重视1953年美国Varian 公司成功研制了世界上第一台商品化连续波NMR 谱仪（EM-300型，质子工作频率30MHz ，磁场强度0.7T ）1964年后，NMR 谱仪经历了两次重大的技术革命，其一是磁场超导化，其二是脉冲Fourier 变换技术（PFT ）的采用，从根本上提高了NMR 的灵敏度，谱仪的结构也有了很大的变化。
1964年Varian 公司研制出世界上第一台超导磁场的NMR 谱仪（200MHz ，场强4.74T ）使天然丰度很低的13C 及15N 等的NMR 测定成为可能1970年代，苏黎世瑞士联邦理工学院（ETH）的R.R. Ernst创立脉冲傅立叶变换核磁共振（FT-NMR）和发展了二维核磁共振(2D－NMR) ，1987年R.R. Ernst及其学生G. Bodenhausen和A. Wokaun合作出版《一维和二维核磁共振原理》，此书与A. Abragam出版的专著《核磁学原理》被称为NMR发展史上的两块里程碑。
1970s ---固体核磁、二维核磁、固体魔角旋转（MAS）技术（材料学）、核磁成像等相继出现1991年R.R. Ernst因其创立脉冲傅里叶变换核磁共振（FT-NMR）及发展二维核磁共振(2D-NMR)这两项杰出贡献,当之无愧的独享了1991年诺贝尔化学奖。
水泥及原材料29Si固体核磁谱的测定
实验题目：水泥及原材料29Si固体核磁谱的测定实验目的了解固体核磁测试的原理，掌握一些相关的核磁信息。
能看懂固体核磁的基本图谱，会解一些基本的核磁图。
实验仪器：1.NMR（核磁共振）谱仪——AVANCEAV4OOMHZNMR2.样品管实验原理1、固体核磁共振基本原理固体核磁共振测试时，由于固体体系中的质子各向异性作用，相互偶极自旋耦合强度较高，表现在图谱上为宽线谱。
一般情况下，对固体样品测试会采用魔角旋转技术(MAS)与交叉极化技术(CP)来得到高分辨的固体杂核磁谱。
魔角旋转技术将样品填充入转子，并使转子沿魔角方向高速旋转，即使样品在旋转轴与磁场方向夹角β=θ=54°44 （魔角）的方向高速旋转来达到谱线窄化的目的。
在某些原子核的旋磁比较小的固体材料中使用交叉极化技术，由丰核(如1H)到稀核(如29Si)的交叉极化，使29Si的信号增强。
2、29SiNMR特征参数与结构的关系NMR的特征参数包括：谱线的数目、位置（化学位移）、宽度（峰形越锋利代表结晶性越好）、形状、面积和谱线的弛豫时间，现在主要通过化学位移来确定硅氧/铝氧多面体的聚合度，进而描述物质结构。
水泥矿物中，Si原子主要以硅氧四面体形式存在，以Q n (m Al)表示硅氧四面体的聚合状态，n为四面体的桥氧个数，m表示硅氧四面体相连的铝氧四面体个数。
Q0代表孤岛状的硅氧四面体[SO4]4−；Q1表示两个硅氧四面体相连的短链，表征C-S-H二聚体或高聚体中直链末端的硅氧四面体，通过29Si固体NMR研究可了解水泥的水化程度、C-S-H 结构及硅酸盐种类和水泥净浆的各种性能之间的相关性关系等信息。
实验内容1.制备样品2.插入样品管3.键入ej,将样品管放入磁体中，再键入ij。
4.建立新实验5.锁场6.调谐7.启动采集8.处理、打印图谱数据处理(到时打印出图谱再对应分析即可）图1 水泥的29Si-NMR图谱分析：图1是未水化硅酸盐水泥的29Si-NMR图谱，图谱中主要在化学位移为-71ppm左右存在一个较为尖锐的峰，在此位移的峰主要为孤立的岛状硅氧四面体结构。
固体核磁共振简介
固体核磁共振简介彭路明南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室0. 从液体核磁共振到固体核磁共振核磁共振现象源于核自旋和磁场的相互作用，1945年由Edward Mills Purcell 和Felix Bloch分别发现。
核磁共振谱学从此日渐成为探索物质物理、化学、电子等性质和分子结构的重要工具。
在核磁共振中，有许多核自旋的相互作用，每一种都可能包含着丰富的结构和动力学信息，加上能够定量分析、对样品无损伤以及可针对特定的原子（核）等特点，使核磁共振成为一种十分理想的强大的分析手段。
在核磁共振的这些相互作用中，有一些是各向同性的相互作用，另一些则是各向异性的相互作用。
它们的区别在，前者对核磁共振信号频率的影响与分子的空间取向无关，而后者则有关，故后者可能因为被测分子空间取向的不同而造成谱线的宽化，导致分辨率和灵敏度的降低。
在液体中，由于分子的快速翻滚运动，消除了各种可能使谱线宽化的各向异性的核磁共振相互作用。
因此，液体核磁共振谱图中的共振信号十分尖锐，有很高的分辨率，这是液体核磁共振成为测定溶液中化合物结构的最强大的方法的原因之一。
但在固体中，由于上述分子运动的缺失导致核磁共振信号受到各向异性的相互作用影响而被展宽，分辨率和灵敏度低。
如果希望得到类似液体核磁共振所给出的信息，必须通过高分辨率固体核磁共振技术才能实现。
以下将分别简要介绍固体核磁共振中的一些重要相互作用以及部分高分辨率固体核磁共振技术。
1. 固体核磁共振中的相互作用核磁共振中核自旋的相互作用可以分为两大类：外部相互作用（external spin interactions ）和内部相互作用（internal spin interactions ）。
前者是核自旋和外部仪器设备产生的磁场（如静磁场，射频场）的相互作用。
后者则相反，是核自旋和样品本身所产生的磁场和电场的相互作用，这些作用包括屏蔽作用（化学位移，奈特位移，顺磁位移等），偶极作用（直接和间接），四极作用等等。
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固体核磁共振19.1 固体核磁共振基本原理19.1.1 核磁共振的基本原理及固体核磁中主要的相互作用如果我们将样品分子视为一个整体，则可将固体核磁中探测到的相互作用分为两大类：样品内部的相互作用及由外加环境施加与样品的作用。
前者主要是样品内在的电磁场在与外加电磁场相互作用时产生的多种相互作用力，这主要包括：化学环境的信息（分子中由于内在电磁场屏蔽外磁场的强度、方向等），分子内与分子间偶极自旋偶合相互作用，对于自旋量子数为>1/2的四极核尚存在四极作用。
外部环境施加与样品的主要作用有：1)由处于纵向竖直方向的外加静磁场作用于特定的核磁活性的核上产生的塞曼相互作用（Zeeman Interaction）, 核子相对映的频率为拉莫尔频率（Larmor Frequency）;2) 由处于x-y平面的振荡射频场产生的作用与待测样品的扰动磁场。
与溶液核磁共振技术测定化学结构的基本思路，在固体核磁共振实验中也是首先利用强的静磁场是样品中核子的能级发生分裂，例如对于自旋量子数I=1/2的核会产生两个能级，一个顺着静磁场方向从而导致体系的能量较低；另一个则逆着静磁场排列的方向使得体系相对能量较高。
经能级分裂后，处于高能级与低能级的核子数目分布发生改变，并且符合波尔兹曼分布原理：即处于低能级的核子数目较多而高能级的数目较少，最终产生一个沿竖直向上的净磁化矢量。
此磁化矢量在受到沿x-y平面的振荡射频磁场作用后产生一扭矩最终将沿竖直方向的磁化矢量转动一特定的角度。
由于这种射频脉冲施加的时间只是微秒量级，施加完射频脉冲后，体系中剩下的主要相互作用将会使这种处于热力学不稳定状态的体系恢复到热力学稳定的初始状态。
在磁化矢量的恢复过程中，溶液核磁中主要存在的相互作用有：化学位移，J-偶合等相对较弱的相互作用，而相对较强的分子间偶极自旋偶合相互作用在大多数体系中由于分子的热运动而被平均化。
但是在固体核磁共振实验中，由于分子处于固体状态从而难以使体系中的偶极自旋偶合作用通过分子热运动而平均化。
另外值得指出的是与化学位移，J-偶合等相互作用的强度相比，分子间偶极自旋偶合作用是一种远强于前两者的一种相互作用。
通常情况下，化学位移与J-偶合一般都处于Hz量级，但是偶极自旋偶合作用强度却处于kHz 量级，所以如果不采用特殊手段压制偶极自旋偶合作用带来的谱线展宽，通常静态条件下观察到的核磁共振谱往往是信息被偶极自旋偶合作用掩盖下的宽线谱（图2所示为乙酸胆固醇酯在静态下以通常的去偶方式所得到的图谱与溶于CDCl3后所测得的溶液核磁图谱的对比，从中可看出固体核磁图谱在没有特殊技术处理下呈现的是毫无精细结构的宽包峰。
）。
因此，在固体核磁中只有采用特殊技术首先压制来自强偶极自旋偶合作用导致谱线宽化的影响，才有可能观察到可用于解析物质化学结构的高分辨固体核磁共振谱。
图1 上图蓝线所示为乙酸胆固醇酯的固体13C NMR（静态，未进行强功率去偶）而下图红线记录的是将其溶于CDCl3后的溶液状态的核磁共振谱。
由此可见在固体状态由于化学位移各向异性及强偶极相互作用等因素的存在使谱线展宽为毫无精细结构的图谱。
在固体核磁测试中，虽然质子的自然丰度与旋磁比都比较高，但是由于体系中质子数目多，相互偶极自旋耦合强度远高于稀核，例如13C 和15N等，因此在大多数情况下固体核磁采用魔角旋转技术(Magic Angle Spinning MAS)与交叉极化技术(Cross Polarization CP)可得到高分辨的杂核固体核磁谱。
对于1H 必须采用魔角旋转与多脉冲结合方式（Combined Rotation and Multipulse Spinning CRAMPS）将质子的磁化矢量转至魔角方向方能得到高分辨质子谱。
19.1.2 魔角旋转技术在静态固体NMR谱中主要展现的是化学位移各向异性、偶极自旋耦合和四极相互作用的信息，这些物理作用往往展现出的是宽线谱。
如果在研究中对这些信息不感兴趣，而更多关注于化学位移与J-耦合时，可通过将样品填充入转子，并使转子沿魔角方向高速旋转，即可实现谱线窄化的目的。
这是因为上述作用按时间平均的哈密顿量均含有因子（1-3cos2θ）, 因此如果将样品沿θ=54.7°（即正方体的体对角线方向）旋转时，上述强的化学位移各向异性、偶极自旋偶合和四极相互作用被平均化，而其他相对较弱的相互作用便成为主要因素，因此有利于得到高分辨固体核磁共振谱。
值得指出的是由于1H 核的自然丰度非常高，因此1H-1H核之间的偶极作用远强于13C-13C 之间的相互作用，因此在不是太高的旋转速度下就可以实现压制13C-13C之间的偶极相互作用，但要实现完全压制1H-1H核之间的偶极作用在许多固体核磁共振谱仪上还是难以实现的。
实验中一般采用两种气流：bearing gas 和driving gas（见图3所示），前者使样品管能够浮起并且在样品管旋转过程中具有使其处于平衡状态的功能，后者通过吹动样品管的锯齿帽而使之沿魔角所在方向进行高速旋转。
图2 魔角旋转实验的示意图，其中白色部分代表样品管，样品管头部的红色条纹代表样品管的锯齿状Kel-F 或BN制成的用于高速旋转的帽。
为使样品管稳定高速旋转必须采用两种气流：bearing gas 和driving gas。
当魔角旋转速度非常高的情况下可将粉末状样品在静态图谱中所呈现的各向异性粉末状图案（Powder pattern）简化为各向同性的化学位移峰逐渐显现，但是当沿魔角旋转速度不够快时，经魔角旋转后所得到的图谱出得到各向同性的表示化学位移的单峰外，尚存在一系列称为旋转边带（Spinning sideband）的卫星峰。
各旋转边带之间的间距（用Hz表示）正好是样品管的旋转速度，并且均匀分布在各向同性的化学位移所在的主峰的两侧。
当旋转速度加快时，旋转边带的间距也加大，具体实例见图4，最终呈现为各向同性的化学位移。
图3 固体核磁共振实验中旋转边带与魔角旋转速度的相互关联关系目前样品管的旋转速度随样品管的尺寸不同可在1-35 kHz范围内调解，这对于自然丰度比较低的核，例如：13C,15N可以有效抑制体系中的同核偶极相互作用，但对于自然丰度很高的核，例如1H,19F等，由于体系中的偶极作用强度往往大于100 kHz，因此如果单纯依靠魔角旋转技术是难以获得高分辨图谱的。
19.1.3 交叉极化技术对于13C,15N等体系虽然通过魔角旋转技术有效地压制了同核偶极相互作用，但是这些核的旋磁比比较小，自然丰度比较低，因此如果采用直接检测这些核的实验方法将导致整个实验过程的灵敏度非常低。
为进一步提高这些核的实验灵敏度，又发展了交叉极化技术。
通过该技术可将1H核的磁化矢量转移到13C或15N等杂核上，从而提高这些杂核的实验灵敏度。
通过交叉极化技术测定固体杂核的核磁共振脉冲程序如下：图4 交叉极化的脉冲序列。
此脉冲序列的净结果是将核磁活性较高的核的磁化矢量传递给核磁活性较低的核的磁化矢量，从而提高相关杂核固体核磁共振实验的灵敏度。
交叉极化过程的详细物理解释需要采用平均哈密顿理论（Average Hamiltonian Theory），在此仅对此过程进行简单的描述。
起初施加于氢核上的90ºx脉冲将氢沿z方向的初始磁化矢量转变到-y方向，这时施加于氢的脉冲磁场的相位迅速由x-轴转变为-y轴。
经过此相位转变后，氢的磁化矢量就被锁定在-y轴上，因为此时氢的磁化矢量的方向与外在脉冲静磁场的方向一致，即这时沿-y方向的磁场如同外加静磁场所起的作用一样，会使氢的磁化矢量沿脉冲磁场所在的-y方向产生能级分裂，使得在此坐标系中氢的α*H和β*H的数目分布有所不同。
值得指出的是此时杂核在-y方向的磁化矢量为零，其α*X和β*X之间的数目分布相等。
此时若在杂核x上沿-y方向也施加一脉冲磁场，并且使得γH B1(1H)=γx B1(x) (Hartmann-Hahn Condition)时,氢从低能态可吸收来自杂核的偶极相互作用的能量跳到高能态，而相应的杂核的一部分核子则从高能态跳回到低能态，使得原来磁化矢量为零的状态转变为极化状态。
整个极化转移过程可由图6 表示。
图5 交叉极化过程的定性解释在交叉极化进行前由于锁场脉冲磁场的作用如同静磁场一样，因此在脉冲磁场所在的旋转坐标系中产生1H 的能级分裂，使其α态与β态数目不同，当在此旋转坐标系中对杂核X 施加一脉冲磁场使得体系满足哈特曼-哈恩（Hartmann-Hahn Condition ）条件时，即:ωH =ωX ，氢核与杂核就可以通过偶极作用发生能量转移，能量转移的结果是氢在α态与β态数目差异减小，而杂核原来低能级与高能级之间本没有数目差异，经此过程后，产生一定的数目差异，所以达到活化杂核的目的，使杂核在固体核磁共振实验中的灵敏度得到极大的提高。
在整个交叉极化过程中由于1H 核与X 核之间的偶极作用满足如下的关系式：从式中可以看到1H 核与X 核之间偶极作用只与z 方向有关，而与x-y 平面无关，然而交叉极化过程是在-y 方向完成的，因此在交叉极化前后，总偶极强度保持不变。
因此通过交叉极化过程后，氢核的磁化矢量减少而杂核X 的磁化矢量增加，两种核增加与减少的幅度与核的种类、交叉极化的动力学过程等多种因素有关。
19.1.4 固体核磁共振的异核去偶技术在测定杂核的固体核磁共振实验过程中，采用魔角旋转技术能够比较有效地去除同核间的偶极偶合作用（例如：13C-13C;15N-15N 等），但是对于这些核与氢核间的偶极偶合作用则比较有限，为此还发展了多种去偶技术抑制这些杂核间的偶极耦合作用。
值得指出的是虽然在溶液核磁体系中已发展了多种去偶技术，但是由于在溶液体系中相应的作用力远小于固体状态的作用力，因此在固体核磁共振实验中所采用的去偶功率往往在100-1000瓦量级，而非溶液状态的瓦级。
固体核磁共振实验中高功率去偶技术的采用带来的一个不可避免的注意事项就是防止样品在照射过程中由于产生的热导致其变性。
固体核磁共振实验中之所以采用高功率去偶技术是为了进一步提高图谱的分辨率与灵敏度。
经X k H i 2HX I ˆI ˆ)1cos 3(21H ˆz z ki ik d ••-=∑>θ过高功率照射后使原来存在偶极作用的氢与杂原子之间的作用消失，这样原来所呈现的多峰就合并为一个，使得谱线的强度增加，并且使谱图的重叠减弱，有利于识谱。
但是不可避免的是在此过程中由于去偶技术的采用也使得反映有关原子周围的化学环境、原子间相对距离等信息被消除19.1.5 固体核磁共振实验的特点(1) 固体核磁共振技术可以测定的样品范围远远多于溶液核磁，由于后者受限于样品的溶解性，对于溶解性差或溶解后容易变质的样品往往比较难以分析，但是这种困难在固体核磁实验中不存在；(2) 从所测定核子的范围看，固体核磁同溶液核磁一样不仅能够测定自旋量子数为1/2的1H,19F,13C,15N,29Si,31P ,207Pb,还可以是四极核，如：2H, 17O等，所以可分析样品的范围非常广泛；(3) 是一种无损分析。