ЯМР-спектроскопия спиновое квантовое число

Поскольку свободный электрон может иметь спиновое квантовое число +72 или — /г, он может быть ориентирован в магнитном поле двумя способами. Эти два состояния различаются по энергии на (где — фактор спектроскопического расщепления р — магнитный момент свободного электрона Я — напряженность магнитного поля). Излучение с частотой v(v=gpЯ//l) может вызывать переходы между этими двумя состояниями. Этот эффект используется в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса. [c.30]

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спек-троскопия) — физический метод, основанный на регистрации индуцированных радиочастотным полем переходов между ядерными магнитными энергетическими уровнями молекул вещества, помещенного в постоянное магнитное поле. Переходы между ядерными магнитными уровнями возможны для ядер, обладающих магнитным моментом, т. е. имеющих спиновое квантовое число 1, не равное нулю. Такими свойствами обладают ядра Н, С, Р, Р, у которых 1 = /2, и др. Совокуп--чость сигналов переходов между энергетическими уровнями [c.50]

Спин характеризуется ядерным спиновым квантовым числом /, которое может принимать значения, кратные 1/2, т. е. 7 - О, 1/2, 1, 3/2 и т. д. Все ядра с нечетными массовыми числами, а также ядра с четными массовыми числами, но имеющие нечетное число протонов и нечетное число нейронов, обладают магнитным моментом. Следовательно, ядра Н, С, N, 0, Р и 1Р имеют магнитный момент и могут давать спектры ЯМР, тогда как ядра С, %0 и не обладают магнитным моментом. Считается, что для спектроскопии ЯМР лучше подходят ядра с / - 1/2, т, е. Н, С, Р и "Р. Величину / рассчитать не удается (табл. 4.9). [c.116]

Спектроскопия ЯМР основана на измерении магнитных свойств атомных ядер. Магнитные свойства ядер, в свою очередь, обусловлены тем, что ядра атомов, вращающиеся вокруг собственной оси, имеют момент количества движения, который называется спином ядра. Спин характеризуется ядерным спиновым квантовым числом /, которое может принимать значения О, 1/2, 1, 3/2,. .. и определяется числом протонов и нейтронов, составляющих ядро. [c.539]

Спиновое квантовое число как протона, так и нейтрона равно 1/2, и в зависимости от того, спарены в ядре спины этих частиц или нет, ядро может характеризоваться нулевым или ненулевым числом I. Ядра с четным числом нейтронов и протонов ( С, gO) имеют суммарный спиновый момент / = 0. Ядра с нечетным количеством протонов и нейтронов обладают целочисленным спином ядра (например, I - для N, ). Наиболее пригодными для спектроскопии ЯМР органических соединений являются ядра изотопов с нечетной суммой нейтронов и протонов, имеющие суммарный спин ядра I = 1/2 Н, ЦР, С, > N, [c.539]

Если электрон, нейтрон или ядро с ненулевым снином взаимодействуют с магнитным полем, определенные энергетические уровни этой частицы становятся невырожденными. Спиновое квантовое число электрона равно /2, поэтому оп имеет два таких энергетических уровня, на существовании которых и основана спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Определенные ядра (например, Н, С и Р ) имеют спиновые квантовые числа, также равные /г, и при взаимодействии с магнитным полем у них также появляются 2 энергетических уровня. Па существовании этих уровней основана спектроскопия ЯМР. Некоторые ядра имеют значения спинового квантового числа больше 7г и, следовательно, больше двух различных энергетических уровней, но в этой главе рассматриваются только частицы со спиновым числом /2. [c.292]

Приведенное ниже обсуждение позволит более четко уяснить связь между магнитно-резонансным поглощением ядер и другими типами спектроскопии. Многие атомные ядра обладают свойствами заряженных вращающихся теп, причем вращение заряда приводит к магнитному моменту, направленному вдоль оси вращения. Ядра, которые представляют особый интерес для химиков-органиков (Н1, С1з, N15 и Р1 >), имеют спин I, равный 1/2. Это означает, что величины их магнитных моментов в данном направлении могут иметь только два значения, равные по величине, но противоположные по знаку, соответствующие спиновым квантовым числом - - 1/2 и —1/2- Таким образом, если ядра помещены в магнитное поле Н с направлением г, то они могут быть расположены только по направлению поля = -Ь 1/2) или против него (/ = — /г) Как и в случае стрелки компаса в магнитном ноле Земли, наиболее выгодным является направление, совпадающее с направлением поля. Разность энергий между этими двумя состояниями ЛЕ должна быть пропорциональна напряженности поля Я, действующего на ядро. АЕ равна укН/2л, где /I константа Планка, а V — константа пропорциональности, характерная для каждого типа ядра (Н1, С1з, N15 и т. д.). Диаграмма энергетических уровней для системы магнитных ядер со спином 1/2 приведена на рис. 2-13. [c.49]

Расстояние между уровнями энергии зависит в первую очередь от напряженности приложенного магнитного поля. Оно зависит также от величины ядерного магнитного момента, который определяется не только спиновым квантовым числом, но и внутренним строением ядра. При фиксированном значении магнитного момента расстояние между энергетическими уровнями растет пропорционально напряженности приложенного магнитного поля. Это приводит к тому, что становится легче измерять такие разности энергии, а разрешение при этом улучшается. Поэтому прогресс в области спектроскопии ЯМР определяется нашей способностью создавать очень мощные и очень однородные магнитные поля. Сейчас существуют компактные сверхпроводящие магниты, способные создавать магнитные поля напряженностью в десятки тысяч гауссов (1 гаусс = 10 тесла). [c.220]

Чтобы понять спектроскопию ядерного магнитного резонанса, нужно познакомиться с двумя свойствами ядер — их результирующим спином, обусловленным протонами и нейтронами (обе эти частицы имеют спиновое квантовое число, равное 7г), и распределением положительного заряда. Несколько различных типов ядер изображено на рис. 8-1. Если спины всех частиц спарены, то результирующего спина нет и квантовое число ядерного спина I равно нулю. Распределение положительного заряда при этом сферическое, и, как говорят, квадрупольный момент ядра eQ (где е — единица электростатического заряда, а Q — мера отклонения распределения заряда от сферической симметрии в данном случае Р=0) равен нулю. Сферическое бесспиновое ядро, изображенное на рис. 8-1, а, является примером случая, когда [c.262]

Спектроскопия ядерного гамма-резонанса (мессбауэровская спектроскопия) позволяет обнаружить слабые возмущения энергетических уровней ядер железа окружающими электронами. Этот эффект представляет собой явление испускания или поглощения мягкого у-излучения без отдачи ядер. Интересующий нас ядерный переход с энергией 14,36 кэВ -происходит между состояниями / = % и / = 1/2 мессбауэровского изотопа Те, где I — ядер-ное спиновое квантовое число. Для регистрации спектров Месс-бауэра обычно требуется 1—2 мкмоля Те, содержание которого в природном железе составляет 2,19%. Для белка с молекулярным весом 50 ООО, который связывает 1 атом железа на молекулу, и в отсутствие изотопного обогащения это соответствует весу образца 2,5 г. Рассматриваемые здесь многоядерные белки содержат гораздо больше железа и вполне подходят для исследования методом ядерной гамма-резонансной спектроскопии. Широко исследуются четыре возможных типа взаимодействия между ядром Те и его электронным окружением изомерный сдвиг, квадрупольное расщепление, ядерные магнитные сверхтонкие взаимодействия, ядерные зеемановские взаимодействия. Применение мессбауэровской спектроскопии для изучения железосодержащих белков, относящихся к гемовым и железосерным, обсуждается в опубликованном недавно обзоре [78]. [c.347]

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. При изучении окисления непредельных соединений практическое значение может иметь ЯМР на атомах Н и С. Для обоих этих ядер спиновое - квантовое число /= /2. вследствие чего во внешнем магнитном поле для них существуют 27+1=2 ориентации — параллельная приложенному полю и антипараллельная. При поглощении энергии электромагнитного излучения (Е=к ) в ядре возможен переход с нижнего энергетического уровня на верхний (соответствующий антипараллельной ориентации). Условие такого перехода описывается уравнением [c.204]

Атомные 5-электроны и соответствующие а-электроны молекул, у которых побочное квантовое число 1 равно О, о бладают только спиновыми моментами. Из этого вытекает, что пара 8-или з-злектронов не имеет результирующего момента. Эта система, состояние которой описывается в спектроскопии символом 5о, осуществляется у двухвалентных щелочноземельных элементов, а также в цинке, кадмии и ртути. [c.30]

С другой стороны, р-электроны атомов и соответствующие тг-электроны молекул, имеющие квантовое число 1=1, обладают и орбитальными и спиновыми моментами. Но результирующий магнитный момент равен нулю не только у систем с двумя 5 - и шестью /1-электронами, образующими нормальный стабильный октет, как в структурах инертных газов, но также у систем с двумя 5- и двумя р-электронами, которые в спектроскопии обозначаются как зРо. Такие системы имеются у атомов углерода, олова и свинца. С другой стороны, системы, содержащие четыре р-электрона, как в атомах кислорода и серы, могут обладать результирующим моментом. Одно из нормальных спектроскопических состояний атома кислорода, а именно, состояние Рг соответствует атому, имеющему магнитный момент. С химической точки зрения существенно, что те атомы и молекулы, которые содержат нечетное число электронов, имеют некомпенсированный электронный спин и поэтому должны обладать результирующим магнитным моментом. Возможные значения магнитного момента любой такой системы строго ограничены они определяются квантовыми законами. Резонансные взаимодействия между электронными группами и обменная энергия образования связей не влияют на эти значения. Как будет показано на стр. 34-41, только те вещества, которые обладают постоянными магнитными моментами, обнаруживают парамагнитные свойства. Поэтому для всех органических соединений и других производ- ных легких элементов парамагнетизм можно рассматривать как физическое свойство, являющееся индикатором на свободные [c.30]

Одним из наиболее важных методов исследования свободных радикалов является в настоящее время метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), или, как его иногда называют, метод электронно-спинового резонанса (ЭСР). Принципы этого вида спектроскопии во многих отношениях сходны с ЯМР-спектроско-пией, хотя терминология в обоих методах часто совершенно различна. Сущность метода состоит в том, что неспаренный электрон, так же как и протон, обладает спином и магнитным моментом, вследствие чего в магнитном поле возможны два типа ориентации, соответствующие магнитным квантовым числам +- и —Этим двум [c.364]

Атомные ядра и электроны обладают магнитными моментами. Это свойство используют в технике магнитной резонансной спектроскопии наложение магнитного поля на ядра и электроны приводит к расщеплению квантовых состояний магнитного момента на ряд энергетических уровней (расщепление Зеемана). Относительно направления приложенного магнитного поля магнитный момент ориентируется в определенных направлениях, отличающихся по магнитной энергии. Наряду с магнитным моментом, ядра и электроны имеют спиновый момент количества движения. Компонент момента количества движения вдоль направления приложенного магнитного поля является целым или полуцелым числом, кратным основной единице момента количества движения Ь (константа Планка, деленная на 2ц). Ядро (или система электронов) со спином / (или 5) могут иметь только 2/ -Ь 1 различных ориентаций в постоянном магнитном поле и, следовательно, 2/ +1 состояний с различной магнитной энергией. Переходы магнитного момента между этими состояниями, сопровождающиеся резонансным поглощением магнитной энергии, происходят под действием излучения соответствующей частоты и поляризации. Наблюдая интенсивности и частоты резонансного поглощения в исследуемом материале, можно установить детали окружения ядер и электронов. Так как большинство веществ, представляющих интерес в гетерогенном катализе, является твердыми телами, в последующем изложении будет обращено особое внимание на магнитный резонанс в твердых телах. [c.9]

Вращение электрона вокруг собственной оси в отличие от вращения вокруг атомного ядра обозначают как (нем.) или spin (англ.). Оно определяется квантовым числом, уже упомянутым на стр. 145 и называемым спиновым квантовым числом s. Вращение электрона вокруг собственной оси вносит свою долю в магнитный момент атома, так как вращение электрически заряженного шарика вокруг собственной оси оказывает такое же действие, как электрический круговой ток. Правда, влияние спинового квантового числа s на магнитный момент атома, так же как влияние магнитного квантового числа т, обусловленного орбитальным моментом, проявляется только тогда, когда на атом действует внешнее магнитное поле. Однако, с другой стороны, вращение электрона вокруг собственной оси оказывает также влияние на вращательный импульс атома. Вследствие этого общий вращательный импульс атома и таким образом его энергетическое состояние зависят не только от орбитального квантового числа I, но также и от спинового квантового числа s. Из обоих чисел образуется так называемое внутреннее квантовое число j. Последнее всегда имеет положительное значение, а именно для I = О оно имеет только одно значение (] = 1/2), а для каждого / > О два значения, например j = 1з ж ) = 1/2 ддя I = 1. С позиций волновой механики также можно обосновать спиновое квантовое число s и его комбинацию с I, дающую квантовое число /, хотя объяснение спинового квантового числа S здесь несколько иное. Так как у щелочных металлов все -уровни, за исключением тех, для которых I = 0, делятся на два энергетических уровня, все линии в спектрах щелочных металлов, которые образуются за счет перехода на основной уровень 1 = 0, должны давать дублеты. Это и наблюдается в действительности. Расстояние между линиями дублета сильно возрастает с увеличением атомного веса. У желтой натриевой линии оно так мало (разница в длине волн 5,97 A), что для разделения этих составляющих требуется хороший спектроскоп. У цезия расстояние, однако, так велико, что обе синие линии цезия различаются даже при довольно слабой дисперсии (разница в длине волн составляет здесь 37,94 A для лежащего в инфракрасной области дублета первого члена главной серии цезия она составляет даже 422,4А). При переходах на более высокие уровни, чем основной, в эмиссионном спектре могут появиться более чем две линии, так как в этом случае не только исходный, но и конечный уровень разделяется на два уровня. В таких случаях говорят о сложных дублетах . [c.197]

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представляет собой наиболее широко внедрившийся в практику органической химии вид радиочастотной спектроскопии. Она основана на существовании у ядер ряда изотопов собственного спина, сопряженного с наличием ядерного магнитного момента . При наложении внешнего постоянного магнитного поля возможно несколько квантовых состояний (для спинового числа 1/2 их два) ориентации ядерного спина относительно направления внешнего магнитного поля. Энергетические уровни этих квантовых состояний несколько различаются и поглощение кванта электромагнитной энергии соответствующей частоты обусловливает переход с более низкого энергетического уровня на более высокий. Указанная частота о, называемая резонансной, характерна для ядра каждого данного изотопа и дается соотношением [c.216]

Ядро с ядерным спиновым квантовым числом I 1 также характеризуется электрическим моментом, и неспаренный электрон взаимодействует как с магнитным ядерным, так и с электрическим моментом. Градиент электрического поля на ядре может взаимодействовать с ква-друпольным моментом (такое взаимодействие изучается с помощью спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса), и это взаимодействие влияет на энергии электронных спиновых состояний через ядерно-электронное магнитное взаимодействие как возмущение второго порядка. Влияние квадрупольного взаимодействия обычно носит сложный характер, поскольку этому взаимодействию сопутствует значительно большее магнитное СТВ. Ориентация ядерного момента квантуется как по отношению к градиенту электрического поля, так и по отношению к направлению магнитного поля. Если направление магнитного поля и оси кристалла параллельны, квадрупольное взаимодействие приводит только к небольшому смещению всех энергетических уровней на по- [c.45]

Спектры атомов. При сообщении атому энергии изменяется по крайней мере одно квантовое число. Появляющиеся при этом сигналы относятся к видимой (800—200 нм) и рентгеновской (1 —10 А) областям спектра. В рентгеновской области спектра для аналитических целей используют сигналы, связанные с изменением главного квантового числа п. Интересные для аналитиков оптические спектры связаны в основном с изменением побочного квантового числа I (наряду с изменением и или т ). Ввиду большего разнообразия переходов оптические спектры имеют значительно большее число линий, чем рентгеновские. Если вырождение спинового момента электрона /Пз снимается внешним магнитным полем, то становятся возможными энергетические переходы с изменением т , дающие сигналы в микроволновой области (10 —10 Гц). Эти сигналы образуют спектр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Атомное ядро подобно электрону может обладать собственным вращательным моменгом, ядерным спином. Воздействие внешнего магнитного поля также снимает его вырождение, что делает возможным энергетические переходы в области радиочастот (10 —10 Гц). Получающиеся при этом спектры называют спектрами ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Оба метода, ЭПР и ЯМР, относят к резонансной магнитной спектроскопии [c.177]

Мёссбауэровская спектроскопия [1], которая в тексте сокращенно называется МБ-спектроскопией, регистрирует переходы, обусловленные поглощением у-лучей веществом. Эти переходы характеризуются изменением ядерного спинового квантового числа I. Условия поглощения зависят от электронной плотности вокруг ядра, а число наблюдаемых спектральных полос связано с симметрией соединения. В результате этого можно получить структурную информацию. Многие из идей и символов, используемых в данной главе, были описаны в гл. 14. [c.285]

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является радноспектроскопи-ческпм методом. Он основан на измерении поглощения веществом радиоизлучения определенной частоты вследствие энергетических переходов атомных ядер в сильном магнитном поле с одного магнитного энергетического уровня на другой. Сигнал ЯМР могут вызвать только ядра со спиновым квантовым числом, отличным от нуля. Ядра, не имеющие магнитного момента спина, например С, "О, непригодны для экспериментов по ЯМР. Наиболее удобны для ЯЛ Р-спектроскопии ядра, имеющие полуцелый спин, например н, ГР, з Р, 1 С, ГК. [c.57]

Данные, приведенные в табл. 7-1, показывают, что исследование определенных ядер в соединениях, выделенных методом газовой хроматографии, практически неосуществимо. Возмонсность такого исследования зависит от двух факторов чувствительности спектроскопии ЯМР для данного изотопа и содержания этого изотопа в используемой смеси изотопов. Оба эти фактора свидетельствуют против спектроскопии ЯМР на ядрах С , использующей содержание изотопа С в естественной смеси изотопов. (Наиболее распространенный изотоп С имеет спиновое квантовое число, равное нулю.) С помощью спектроскопии ЯМР наиболее просто анализировать ядро водорода (Н ), которое широко распространено в органических соединениях. В оставшейся части главы будет об-сунедаться только спектроскопия протонного магнитного резонанса, но важно понять, что обсуждаемые принципы в основном применимы для спектроскопии магнитного резонанса и на других ядрах [4]. Некоторые изотопы, приведенные в табл. 7-1, можно анализировать и в прямом соединении с газовой хроматографией. [c.296]

В качестве примера рассмотрим атом натрия (конфигурация Для оптической спектроскопии наибольший интерес представляют переходы валентного 35-электрона атома натрия. В этом случае побочное квантовое число I может принимать значения О, 1, 2, что отвечает 5-, р- и -орбиталям. Таким образом, состояния атома описываются термами 5, Р и ). Для установления вида мультиплетов, возникающих из этих термов, следует выполнить векторное сложение орбитального момента Ь со спиновым моментом 5 [c.392]