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
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
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。
16
7.2.6 核磁共振基本参数
（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
Edward Mills Purcell
01
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
一些原子核（如1H, 13C, 19F等）在强磁场中会产生能 量分裂，形成能级。当用一定频率的电磁波对样品进行辐 照时，特定结构环境中的原子核会吸收相应频率的电磁波 而实现共振跃迁。7.2.3 原子核在静磁场中的进动及能量
在静磁场中，原子核的能量是量子化的，其相邻能级与静磁 场强度成正比。
0 2 0 H0 (3)
E H0 cos (4)
E


m( h
2
)H0
(5)
E


(h
2
)H 0
(6)
为0 进动角速度； 为0 进动频率；
为磁旋比；
2
高能级
1
低能级
高能级 纵向弛豫: 受激态高能级磁核
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 Et 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)
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。
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
自旋量子数不为零的原子核，在外加静磁场H0中，除了自 旋外还将绕H0运动，类似于陀螺的运动，称这种运动为进 动。
图5 原子核在静磁场中的运动（拉摩进动）示意图
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 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。
（2）脉冲傅立叶变换核磁共振仪的发明
PulseFT-NMR
Ernst 1966年发明 了脉冲傅里叶变换 核磁共振技术，促 进了13C、15N、 29Si核磁及固体核 磁技术的应用，因 而获得了1991年 诺贝尔化学奖。
Richard R. Ernst
02
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（3）核磁共振成像技术（MRI）
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；
谱峰宽
谱峰窄
E为能量测试误差；
t为状态停留时间；
为频率测试误差；
h为普朗克常数；
15
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
抗磁屏蔽效应：
H0
感应磁场 H0‘ 原子核外具有高度对称
的电子云在外加磁场作
用下，将产生相反方向
的感应磁场。使磁核所
核外高度对称
电子云
受的实际磁场强度小于
外加磁场强度H0。
原子序数 质量数
偶数
偶数
奇、偶数 奇数
奇数
偶数
自旋量子数 实例
0 半整数 整数
126C、168O、3216S 11H、136C、199F、3115P 21D、105B
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)
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。
18
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
H '0 H0 H0 (1 )H0 H '0 / (2 ) (1 )H0 / (2 ) (10)
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
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。