ментом, поміщено в однорідне поле H0, спрямоване по осі z, то його енергія (по відношенню до енергії за відсутності поля) дорівнює m zH0, де mz - проекція ядерного магнітного моменту на напрямок поля.
Як вже зазначалося, ядро ??може перебувати в 2I + 1 станах. При відсутності зовнішнього поля H0 всі ці стани мають однакову енергію. Якщо позначити найбільшу измеримое значення компоненти магнітного моменту через m, то все вимірні значення компоненти магнітного моменту (в даному випадку mz) виражаються у вигляді mm, де m - квантове число, яке може приймати, як відомо, значення
m=I, I - 1,1- 2, ..., - (I - 1), -I.
Так як відстань між рівнями енергії, відповідними кожному з 2I + 1 станів, так само mH0/I, то ядро ??зі спіном I має дискретні рівні енергії
Розщеплення рівнів енергії в магнітному полі можна назвати ядерним зєємановського розщеплювання, оскільки воно аналогічно розщепленню електронних рівнів в магнітному полі (ефект Зеемана). Зєємановського розщеплювання проілюстровано на рис. 1 для системи з I=1 (з трьома рівнями енергії).
Явище ЯМР полягає в резонансному поглинанні електромагнітної енергії, обумовленому магнетизмом ядер. Звідси випливає очевидне назву явища: ядерний - йдеться про систему ядер, магнітний - маються на увазі тільки їх магнітні властивості, резонанс - саме явище носить резонансний характер. Дійсно, з правил частот Бора випливає, що частота в електромагнітного поля, що викликає переходи між сусідніми рівнями, визначається формулою
(1)
Так як вектори моменту кількості руху (кутового моменту) і магнітного моменту паралельні, то часто зручно характеризувати магнітні властивості ядер величиною g, обумовленою співвідношенням
m=g (Ih) (2)
де g- гіромагнітне ставлення, має розмірність радіан Ерстед - 1 секунда - 1 (рад Е - 1 с - 1) або радіан/(Ерстед секунда) (рад/(Е с)). З урахуванням цього знайдемо
(3)
Таким чином, частота пропорційна додається полю.
Якщо в якості типового прикладу взяти значення g для протона, рівне 2,6753 104 рад/(Е с), і H0=10000 Е, то резонансна частота
Така частота може бути генерована звичайними радіотехнічними методами.
Спектроскопія ЯМР характеризується рядом особливостей, що виділяють її серед інших аналітичних методів. Близько половини (»150) ядер відомих ізотопів мають магнітні моменти, проте тільки менша частина їх систематично використовується.
До появи спектрометрів, що працюють в імпульсному режимі, більшість досліджень виконувалося з використанням явища ЯМР на ядрах водню (протонах) 1H (протонний магнітний резонанс - ПМР) і фтору 19F. Ці ядра володіють ідеальними для спектроскопії ЯМР властивостями:
· високе природний вміст магнітного ізотопу (1H 99,98%, 19F 100%); для порівняння можна згадати, що природний вміст магнітного ізотопу вуглецю 13C становить 1,1%;
· великий магнітний момент;
· спін I=1/2.
Це обумовлює насамперед високу чутливість методу при детектуванні сигналів від зазначених вище ядер. Крім того, існує теоретично строго обґрунтоване правило, згідно з яким тільки ядра зі спіном, рівним або більшим одиниці, мають електричним квадрупольним моментом. Отже, експерименти по ЯМР 1H та 19F не ускладнюється взаємодією ядерного квадрупольного моменту ядра з електричним оточенням. Велика кількість робіт було присвячено резонансу на інших (крім 1H і 19F) ядрах, таких, як 13C, 31P, 11B, 17O в рідкій фазі (так само, як і на ядрах 1H і 19F).
Впровадження імпульсних спектрометрів ЯМР в повсякденну практику значно розширило експериментальні можливості цього виду спектроскопії. Зокрема, запис спектрів ЯМР 13C розчинів - найважливішого для хімії ізотопу - тепер є фактично звичною процедурою. Звичайним явищем стало також детектування сигналів від ядер, інтенсивність сигналів ЯМР яких у багато разів менше інтенсивності для сигналів від 1H, в тому числі і в твердій фазі.
Спектри ЯМР високого дозволу зазвичай складаються з вузьких, добре дозволених ліній (сигналів), відповідних магнітним ядрам в різному хімічному оточенні. Інтенсивності (площі) сигналів при запису спектрів пропорційні числу магнітних ядер в кожній угрупованню, що дає можливість проводити кількісний аналіз за спектрами ЯМР без попередньої калібрування.
Ще одна особливість ЯМР - вплив обмінних процесів, в яких беруть участь резонуючі ядра, на положення і ширину резонансних сигналів. Таким чином, за спектрами ЯМР можна вивчати природу таких процесів. Лінії ЯМР в спектрах рідин звичайно мають ширину 0,1 - 1 Гц (ЯМР високого дозволу), у той час як ті ж самі ядра, досліджувані в твердій фазі, будуть обумовлювати ...
