(一)原子核的磁性質
原子核是帶正電的粒子,實驗證明大多數原子核在做自旋運動,因而具有一定的自旋角動量,用P表示,角動量是一個矢量,其方向服從右手螺旋定則。
核由自旋產生的角動量不是任意數值,而是由自旋量子數決定的。根據量子力學理論,原子核的總角動量P的值為

式中,h為普朗克常量;h為角動量的單位,h=h/(2π)。
自旋不為零的原子核都有磁矩,用u表示
u=γP
式中,γ為旋磁比,它是核磁矩與自旋角動量之比,γ=u/P。
由于原子核是帶電的粒子,自旋時將產生磁矩u,角動量和磁矩都是矢量,其方向是平行的。自旋角動量的大小取決于核的自旋量子數。
按自旋量子數I的不同,可以將核分成幾類。
(1)自旋量子數I=0的核,其核的質子數、中子數都是偶數,沒有核磁矩,u=0,如12C、16O、32S等。這類核沒有自旋現象,不能用NMR測出。
(2)自旋量子數I不等于0的核有核磁矩,u≠0,可以發生核磁共振。這類核又可分為兩種情況:一種情況是I=1/2,這類核可以看成是電荷均勻分布的旋轉球體,如1H、13C、15N、19F、29Si、31p等,這些核是NMR測試的主要對象;另一種情況是I≥1,可以把它們看成是繞主軸旋轉的橢圓球體。它們的電荷分布不均勻,有電四極矩存在,這類原子核特有的弛豫機制使譜線加寬、NMR信號復雜。如2H、27Al、17O等。核的自旋量子數、原子序數、質量數之間的關系如表10-1所示。
表10-1 核的自旋與核磁共振


(二)自旋核在磁場中的行為
自旋量子數為1/2的核,如1H、13C、15N、19F、29Si、31P等是NMR測試的主要對象。無外加磁場:磁性核的核磁矩隨機取向,磁量子能級等同,無能級分裂。若將原子核置于外加磁場中,核的自旋發生取向,磁性核發生能級分裂,為核磁共振能級躍遷奠定基礎。
在外加磁場中,自旋量子數為I的核,自旋取向共有2I+l個。每個自旋取向用磁量子數m表示,則m=I,I-1,I-2,0,0,…,I。以I=1/2的氫核為例,則其共有2I+1=2個自旋取向,即m=+1/2,-1/2。m=+1/2的取向與外磁場方向相同,能量較低,m=-1/2的取向與外磁場方向相反,能量較高,即氫核在外磁場發生能級裂分。見示意圖10-1和圖10-2。

圖10-1 無外加磁場時,樣品中的磁性核任意取向,放入磁場中,核的磁角動量取向統一,與磁場方向平行或反平行

圖10-2 無外加磁場時,磁性核的能量相等,放入磁場中,有與磁場平行(低能量)和反平行(高能量)兩種,出現能量差△E=hv
根據電磁理論,核磁矩與磁場的相互作用能為E,即
E=-uzB0=γPzB0=-γhmB0
當m=-1/2時,E(-1/2) =γhB0/2
當m=+1/2時,E(+1/2)=-γhB0/2
由量子力學的選律可知,只有△m=±1的躍遷才是允許的,所以相鄰兩能級間的能量差為:
△E=E(-1/2)-E(+1/2)-γhB0
當核一定,γ為常數,上式表明相鄰兩能級間的能量差△E與B0的強度有關,△E隨外加磁場B0的增大而增大。氫核的磁矩u在磁場B0中的方向與相應的能級圖見圖10-3。

圖10-3 氫核的磁矩u在磁場B0中的方向與相應的能級圖
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