第一章 核磁共振概论
1.1 核磁共振基本原理
1.1.1 原子核的磁矩
自旋量子数 I >1/2，具有电核四极矩（ quadrupole）
1）质量数和原子序数均为偶数（质子数、中子数均
为偶数），则 I = 0 （如 12C,16O,32S）
2）质量数为奇数（质子数与中子数其一为偶数，另
一为奇数），则 I = 1/2 （如 1H,13C,15N,31P）
I = 3/2 （如 35Cl,37Cl）,……
3）质量数为偶数，原子序数为奇数（质子数、中子
数均为奇数），则 I = 1 （如 2H,14N）,……
1.1.2 核自旋角动量及磁矩的空间量子化
自旋量子数 的原子核具有自旋
角动量,其数值为：
I ? 0
?P
P I I? ?( )1 ?
磁矩 ? ?? ?? P
?,磁旋比（ magnetogyric ratio）
有外磁场时：
P m m I I I
P m
z
z z
? ? ? ?
? ?
? ?
?
(,,,)1
? ? ?
磁矩和磁场的相互作用能 E：
E B? ? ?? ?? 0
若设外磁场加在 Z轴方向上，则有：
E B B m Bz z? ? ? ? ? ? ?? ? ?0 0 0?
原子核不同能级间的能量差为：
? ?E m B? ? ? ? 0
允许跃迁（ ? m = ? 1 ):
? E B? ? ? 0
1.1.3 核磁共振的产生
如用某一特定频率的电磁波辐照核，
并满足下述条件，则产生 NMR
h E B
B
B
? ?
?
?
?
? ?? ?
? ?
?
? ?
? ?
0
0
0
2
2
核磁共振的物理图象
拉莫尔进动（ Larmor Precess）,
? ?L B? 0
核磁矩 ?
?
z B0
B B t B t
B B t B t
R x L y L
L x L y L
? ?
? ?
1 1
1 1
c os s i n
c os s i n
? ?
? ?
垂直于 B0的线偏振交变磁场
BR BLB1 B1
x
y
一般把最大 Z轴分量叫做原子核的磁矩（并非核
的总磁矩），由实验观测确定。
如 1H的磁矩 ?z(max) = 2.79270?N
(核 Bohr磁子 ?N = 5.05082x10-27JT-1)
? ? ?
?
?
z z
z
P I
I
s T
( m a x ) ( m a x )
( m a x ),
? ?
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?
?
2 6 7 5 1 10 8 1 1
? ?? ?
?
?
?
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2
2
42 576
0
0
B
B
M H z.
1T下与 1H共振频率最接近的是 19F共振频率 (40.055MHz)
1T磁场下的共振频率：
1.2 化学位移（ Chemical Shift）
1.2.1 屏蔽常数（ Shielding Constant）
? ?? ?? ?2 10B ( )
核屏蔽
原子的屏蔽
(近程屏蔽 )
抗磁屏蔽：以 s电子为主（ 1H）
顺磁屏蔽：以 p,d电子为主（ 13C,19F等）
分子的屏蔽
(远程屏蔽 )
分子内
的屏蔽：
分子间
的屏蔽：
诱导效应、共轭效应、磁
各向异性效应、氢键效应、
范德华效应、顺磁效应
溶剂效应、介质磁化率效
应、氢键效应、顺磁效应
1.2.2 化学位移
?
?
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?
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B B
B
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t a n
t a n
t a n
t a n
t a n
10
10
10
6
6
0
6
固定频率，扫场
固定磁场，扫频
?0：仪器的公称频率
?0,60MHz B0,1.4092T 1ppm= 60Hz
100MHz 2.3488T 100Hz
200MHz 4.6975T 200Hz
400MHz 9.3951T 400Hz
10 8 6 4 2 0
10 8 6 4 2 0
10 8 6 4 2 0
100MHz
250MHz
1.3 自旋 － 自旋耦合（ Spin-Spin Coupling）
1.3.1 自旋 － 自旋耦合裂分
一级谱,1) 谱线数目２ nI+1（与 n个等价核相 耦合）
I=1/2时,n+1规则
2) 相邻两条谱线间距离都相等（Ｊ）
3) 谱线强度分布符合 (a+b)n展开式的各项系数
1.3.2 耦合常数（ Coupling Constant) J
J反映了核磁矩间相互作用能的大小，和两核之间相隔
化学键的数目密切相关，与仪器的工作频率无关。
如,13C-1H,1J; 1H-12C- 12C-1H,3J
长程 耦合（Ｌ ong-Range Spin-Spin Coupling）
1,4 脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪 PFT-NMR
（ Pulsed Fourier Transform NMR)
PFT-NMR（高频）的优点：
省时，省样 ;
高灵敏度，高 S/N;
高分辨率 ;
CW法所无法实现的新的测试方法（各种脉
冲序列的应用，与其他分析仪器联用等）
1.1 核磁共振基本原理
1.1.1 原子核的磁矩
自旋量子数 I >1/2，具有电核四极矩（ quadrupole）
1）质量数和原子序数均为偶数（质子数、中子数均
为偶数），则 I = 0 （如 12C,16O,32S）
2）质量数为奇数（质子数与中子数其一为偶数，另
一为奇数），则 I = 1/2 （如 1H,13C,15N,31P）
I = 3/2 （如 35Cl,37Cl）,……
3）质量数为偶数，原子序数为奇数（质子数、中子
数均为奇数），则 I = 1 （如 2H,14N）,……
1.1.2 核自旋角动量及磁矩的空间量子化
自旋量子数 的原子核具有自旋
角动量,其数值为：
I ? 0
?P
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磁矩 ? ?? ?? P
?,磁旋比（ magnetogyric ratio）
有外磁场时：
P m m I I I
P m
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磁矩和磁场的相互作用能 E：
E B? ? ?? ?? 0
若设外磁场加在 Z轴方向上，则有：
E B B m Bz z? ? ? ? ? ? ?? ? ?0 0 0?
原子核不同能级间的能量差为：
? ?E m B? ? ? ? 0
允许跃迁（ ? m = ? 1 ):
? E B? ? ? 0
1.1.3 核磁共振的产生
如用某一特定频率的电磁波辐照核，
并满足下述条件，则产生 NMR
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核磁共振的物理图象
拉莫尔进动（ Larmor Precess）,
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垂直于 B0的线偏振交变磁场
BR BLB1 B1
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一般把最大 Z轴分量叫做原子核的磁矩（并非核
的总磁矩），由实验观测确定。
如 1H的磁矩 ?z(max) = 2.79270?N
(核 Bohr磁子 ?N = 5.05082x10-27JT-1)
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1T下与 1H共振频率最接近的是 19F共振频率 (40.055MHz)
1T磁场下的共振频率：
1.2 化学位移（ Chemical Shift）
1.2.1 屏蔽常数（ Shielding Constant）
? ?? ?? ?2 10B ( )
核屏蔽
原子的屏蔽
(近程屏蔽 )
抗磁屏蔽：以 s电子为主（ 1H）
顺磁屏蔽：以 p,d电子为主（ 13C,19F等）
分子的屏蔽
(远程屏蔽 )
分子内
的屏蔽：
分子间
的屏蔽：
诱导效应、共轭效应、磁
各向异性效应、氢键效应、
范德华效应、顺磁效应
溶剂效应、介质磁化率效
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1.2.2 化学位移
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固定频率，扫场
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?0：仪器的公称频率
?0,60MHz B0,1.4092T 1ppm= 60Hz
100MHz 2.3488T 100Hz
200MHz 4.6975T 200Hz
400MHz 9.3951T 400Hz
10 8 6 4 2 0
10 8 6 4 2 0
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100MHz
250MHz
1.3 自旋 － 自旋耦合（ Spin-Spin Coupling）
1.3.1 自旋 － 自旋耦合裂分
一级谱,1) 谱线数目２ nI+1（与 n个等价核相 耦合）
I=1/2时,n+1规则
2) 相邻两条谱线间距离都相等（Ｊ）
3) 谱线强度分布符合 (a+b)n展开式的各项系数
1.3.2 耦合常数（ Coupling Constant) J
J反映了核磁矩间相互作用能的大小，和两核之间相隔
化学键的数目密切相关，与仪器的工作频率无关。
如,13C-1H,1J; 1H-12C- 12C-1H,3J
长程 耦合（Ｌ ong-Range Spin-Spin Coupling）
1,4 脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪 PFT-NMR
（ Pulsed Fourier Transform NMR)
PFT-NMR（高频）的优点：
省时，省样 ;
高灵敏度，高 S/N;
高分辨率 ;
CW法所无法实现的新的测试方法（各种脉
冲序列的应用，与其他分析仪器联用等）
