的电磁波辐射样品，当辐射
E
能量等于磁核能级差时磁核
将吸收能量实现跃迁。
E E
h

E

(h
2
)H0
(7)
H0 (8)
2
12
7.2.5 弛豫过程
根据玻尔兹曼定律，受激态磁核与低能级磁核保持一定比例 的平衡。受激态高能级磁核，失去能量回到低能级磁核的非 辐射过程，称为弛豫。
2
07
7.2.1 原子核的自旋
08
7.2.2 原子核的磁矩和自旋角动量
自旋量子数不为零的原子 核由于自旋而具有磁矩。
P (1)
P h I(I 1) (2)
2
为核磁矩，J.T-1；
P 为自旋角动量；
为磁旋比，核特征常数；
I 为自旋量子数；
h 为普朗克常数。
09
7.2.3 原子核在静磁场中的进动及能量
图10 SmartProbe核磁共振谱仪
38
7.3.3 仪器实例介绍
图11 Decaborane 11B NMR from SmartProbe
39
7.3.3 仪器实例介绍
图12 Decaborane 11B NMR with and without 1H decoupling:
recorded with NS=1 40
高能级
1
低能级
1
高能级 横向弛豫:
受激态高能级磁核
将能量传递给同种
低能级磁核，自身
2
低能级 回到低能级磁核的
过程。1/T1
13
7.2.5 弛豫过程
根据玻尔兹曼定律，受激态磁核与低能级磁核保持一定比例 的平衡。受激态高能级磁核，失去能量回到低能级磁核的非 辐射过程，称为弛豫。
2
高能级
1
低能级
高能级 纵向弛豫: 受激态高能级磁核
（2）自旋偶合和自旋分裂
H0
H‘ H‘
H=H0-2H’
H0
H‘ H‘
H=H0
H0
H‘
H=H0
由于相邻磁核在外 加磁场作用下发生 H‘ 取向，高分辨下将 导致谱峰分裂。
H0
H‘ H‘
H=H0 + 2H’
自旋分裂现象 H0
H0+2H’ H0-2H’
22
7.2.6 核磁共振基本参数
（2）自旋偶合和自旋分裂
E H 0 cos (4)
E


m( h 2
)H
0
(5)
E


(h 2
)H
0
(6)

为进动角速度；
0
为0 进动频率；
为磁旋比；
H为0 静磁场强度；
为核磁矩；
为自旋轴与磁场夹角； m为磁量子数；
h 为普朗克常数；
11
7.2.4 核磁共振的产生及条件
在静磁场中，通过一定频率
将能量传递给周围
的介质粒子，自身 2 1 低能级 回复到低能磁核的
过程。1/T2
14
7.2.5 弛豫过程
由海森伯测不准原理知频率测试 E t h
误差与弛豫效率成反比；由于液
态样品的弛豫效率较固态低，因 E h
而谱线较之更窄。
1 / t (9)
谱峰宽
谱峰窄
E为能量测试误差；
7.2.6 核磁共振基本参数
（3）共振信号强度
核磁共振谱图
积分曲线 化学位移/ppm
核磁共振曲线上各 峰积分面积对应于 磁核数量，通过积 分面积之比可以确 定化合物的结构组 成等定量信息。
24
（a7a3.2）c c.6共b 核振Nd 信磁号共Nd 强b振度c基c a本a 参+ 数
Ha:Hb:Hc:Hd:He:Hf = 6:3.6:21.9:5.4:2.7:2.69
28
7.3.1 连续波（CW）核磁共振仪
连续波（CW）核磁共振波谱仪组成
磁铁
提供恒定、均匀的磁场；
射频振荡器 通过高频交变电流产生稳定的电磁辐射；
射频接收器 接受线圈中产生的共振感应信号；
记录仪
记录核磁共振谱图；
探头
安装有射频振荡、接受线圈、样品管等；
29
7.3.2 傅里叶变换核磁共振仪（PFT-NMR）
05
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（6）基本类型
原则上凡自旋量子数不为零的原子核均能测得 NMR信号， 但目前为止仅限于1H、13C、19F、31P、15N 等原子核，其 中氢谱和碳谱应用最为广泛。
06
7.2 核磁共振的基本原理
7.2.1 原子核的自旋
自旋量子数不为零的核是核磁共振研究的对象，其中I= 1/2 的原子核电荷均匀分布表面，其核磁共振谱线窄，最适宜于 核磁共振检测分析。
6:4:24:6:3:3
a c c
e Pd b H3C N b
C
a c
c
SbF6-
He Hd
Hf
CH3
f
Hc
Pd-diimine 催化剂的
Ha
1HNMR 谱图
Hb
25
7.2.7 核磁共振谱图的形式
化学位移 纵坐标：吸收强度 （ppm） 氢核磁谱图（1H NMR）
谱峰积分面积 横坐标：化学位移 （ppm）
为化学位移，ppm；

为样品磁核的共振频率；
1
0 为标准物磁核共振频率；
OCH3 CH3O Si OCH3
OCH3
四甲基硅烷
20
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
各峰的化学位移
Pd-diimine 催化剂的 1HNMR 谱图
四甲基硅 烷基准峰
化学位移单位：ppm 21
7.2.6 核磁共振基本参数
35
7.3.3 仪器实例介绍
结构分析与模拟
36
7.3.3 仪器实例介绍
具有结构紧凑、体积 小、重量轻、分辨率 优等特点。适合于化 学教育与研究领域。
图9 Fourier 300核磁共振谱仪
37
7.3.3 仪器实例介绍
具有灵活、通用、灵 敏度高等优点。可进 行宽频扫描，不仅适 用于氢谱，同时也适 用于其他磁核分析如 15N、19F等。
图16 核磁样品管及清洗器
图3 固体核磁共振
图4 交叉极化的脉冲系列
04
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（5）目前的应用领域
随以上各类技术的发展，核磁共振分析技术已获得显著进展， 其应用领域已从溶液体系扩展到固体材料：
物质的分子结构与构型研究； 生理生化及医学领域的研究； 医疗领域； 固体材料如玻璃、高分子材料等的开发； 物质的物理性能研究；
上世纪80年代，开发成功核磁共振成像技术，利用人体组织 中的氢原子核的核磁共振现象进行成像。
图1 脑部的磁共振图像
图2 核磁共振成像仪
03
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（4）高分辨率固体核磁共振技术
高分辨率固体核磁共振技术 综合利用魔角旋转、交叉极 化及偶极去偶等技术，有力 地促进了固态材料结构的研 究和应用。
目录
7.1 核磁共振分析的历史及现状 7.2 核磁共振分析的基本原理 7.3 核磁共振仪器结构及组成 7.4 核磁共振分析的实验技术 7.5 核磁共振分析在材料研究领域的应用
00
7.1 核磁共振分析的历史及现状
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（1）核磁共振现象的发现
Felix Bloch
Bloch 等于 1946 年发 了核磁共振分 析的历史，因而获 1952年诺贝尔物理学 奖。
26
7.2.7 核磁共振谱图的形式
化学位移 碳核磁谱图（13C NMR）
纵坐标：吸收强度 （ppm）
谱峰积分面积 横坐标：化学位移 （ppm）
27
7.3 核磁共振仪器结构及组成
7.3.1 连续波（CW）核磁共振仪
射频振荡器
射频接收器
磁铁
磁铁
扫荡发生器
样品管
记录器
图6 连续波（CW）核磁共振仪结构示意图
使共振 信号向 高场移 动的屏 蔽效应
使共振 信号向 低场移 动的屏 蔽效应
远程原 子核外 电子产 生的屏 蔽效应
磁核所处化学环境的综合反应
19
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
10 106 0
(11)
化学位移： 同一种原子核在不同化学环 境中具有不同的核磁共振信 号频率，通常以四甲基硅烷 为基准进行衡量。
32
7.3.3 仪器实例介绍
由Ascend提供的1H NMR谱图
图8 Ascend 核磁共振谱仪
采用先进的超导技术，最 高频率达700-850MHz， 具有先进的磁场稳定功能。
33
7.3.3 仪器实例介绍
最新软件TopSpinTM: 集测试、数据处理及结构模拟等功能。
34
7.3.3 仪器实例介绍
（1）化学位移
顺磁屏蔽效应：
H0
感应磁场 H0‘ 原子核外具有非球形对
称的电子云在外加磁场
作用下将产生同方向的
核外非球形对 称电子云
感应磁场，使磁核所受 实际磁场强度高于外加 磁场强度H0。
17
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
H0
各种感应磁场 H0‘
原子核处于 特定分子环境中
远磁屏蔽效应： 除了磁核自身的核外电 子云外，远处各类原子 或基团的成键电子云也 将产生感应磁场，使磁 核所受磁场强度高于或 低于外加磁场H0。
（2）脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明
PulseFT-NMR