题目

核磁共振、红外光谱检测有机物的结构的原理是什么?
总之是苏教版的化学选修－有机化学基础里的东西,我不太理解,谁能帮我详细介绍一下?谢谢!

提问时间：2020-10-10

答案

现在理解这些原理对你来说还有些困难.需要上大学以后才能有比较全面的理解.
核磁共振的原理
核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动.
根据量子力学原理,原子核与电子一样,也具有自旋角动量,其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定,实验结果显示,不同类型的原子核自旋量子数也不同：
质量数和质子数均为偶数的原子核,自旋量子数为0
质量数为奇数的原子核,自旋量子数为半整数
质量数为偶数,质子数为奇数的原子核,自旋量子数为整数
迄今为止,只有自旋量子数等于1/2的原子核,其核磁共振信号才能够被人们利用,经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P
由于原子核携带电荷,当原子核自旋时,会由自旋产生一个磁矩,这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同,大小与原子核的自旋角动量成正比.将原子核置于外加磁场中,若原子核磁矩与外加磁场方向不同,则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转,这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动,称为进动.进动具有能量也具有一定的频率.
原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定,也就是说,对于某一特定原子,在一定强度的的外加磁场中,其原子核自旋进动的频率是固定不变的.
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关,根据量子力学原理,原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的,而是由原子核的磁量子数决定的,原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃,而不能平滑的变化,这样就形成了一系列的能级.当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后,就会发生能级跃迁,也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化.这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础.
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁,需要为原子核提供跃迁所需要的能量,这一能量通常是通过外加射频场来提供的.根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候,射频场的能量才能够有效地被原子核吸收,为能级跃迁提供助力.因此某种特定的原子核,在给定的外加磁场中,只吸收某一特定频率射频场提供的能量,这样就形成了一个核磁共振信号.
红外光谱（infrared spectra）,以波长或波数为横坐标以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图.按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱（波段为0.2.5微米）、中红外光谱（2.25微米）和远红外光谱（25～1000微米）.对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱,物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光,可得到红外吸收光谱.每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,它是一种分子光谱.分子的红外吸收光谱属于带状光谱.原子也有红外发射和吸收光谱,但都是线状光谱.
量子场论或量子电动力学可以正确地描述和解释红外射线（一种电磁辐射）与物质的相互作用.若采用半经典的理论处理方法,即对组成物质的分子和原子作为量子力学体系来处理,辐射场作为一种经典物理中的电磁波并忽略其光子的特征,则分子红外光谱是由分子不停地作振动和转动而产生的.分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动,多原子分子可组成多种振动模式.当孤立分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时,这种振动方式称简正振动.含N个原子的分子应有3N－6个简正振动方式；如果是线性分子,只有3N－5个简正振动方式.图中示出非线性3原子分子仅有的3种简正振动模式.分子的转动指的是分子绕质心进行的运动.分子振动和转动的能量不是连续的,而是量子化的.当分子由一种振动（或转动）状态跃迁至另一种振动（或转动）状态时,就要吸收或发射与其能级差相应的光.