原子核的學(xué)習(xí)資料

原子核的學(xué)習(xí)資料第1頁/共92頁漫天奇光異彩,有如圣靈逞威,只有一千個太陽,才能與其爭輝。我是死神,我是世界的毀滅者。——1945年7月16日，被稱作原子彈之父的奧本海默于人類第一顆原子彈點火成功時，用梵語反復(fù)念著古印度名詩《羅摩衍那》中的一段。第2頁/共92頁原子核§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)§14.3放射性核素§14.4核磁共振第3頁/共92頁第一節(jié)原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子核的組成與質(zhì)量

原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能原子核的性質(zhì)第4頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)一、原子核的組成與質(zhì)量1、原子核的組成原子核質(zhì)子（proton）中子（neutron）統(tǒng)稱核子（nucleon）Z：原子核的電荷數(shù)(nuclearcharge)原子序數(shù)(nuclearnumber)A:原子核的質(zhì)量數(shù)第5頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)2、原子核的質(zhì)量原子質(zhì)量單位u：原子質(zhì)量的1/12。質(zhì)子質(zhì)量：中子質(zhì)量：原子核的質(zhì)量的近似：第6頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)3、核素、同位素、同量異位素、同質(zhì)異能素（1）核素(nuclide)：一類具有確定的質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子稱為核素。用符號或。（2）同位素(isotope)：同一種元素的核內(nèi)可以含有多種核子數(shù)，即它們具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同,它們在元素周期表占據(jù)同一位置,具有相同的化學(xué)性質(zhì)。如氫的同位素。第7頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)（3）同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如。（4）同質(zhì)異能素(isomer)：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同而處在不同能量狀態(tài)的一類核素。如。第8頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)二、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能1、質(zhì)量虧損(massdefect)2、結(jié)合能(bindingenergy)第9頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)1MeV/c2=1.783×10?30kg1eV=1.60217653(14)×10-19J核爆中帶電粒子的能量范圍約在0.3至3MeV。大氣中分子的能量約為0.03eV第10頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)3、原子核的穩(wěn)定性與平均結(jié)合能平均結(jié)合能（比結(jié)合能）：物理意義：若把一個核子放入原子核里，則平均釋放能量。反之若從核內(nèi)取出一個核子，則需要克服原子核對核子的引力平均做功

。因此，越大，表示核子間結(jié)合得越緊密，的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度。重核裂變：原子彈、原子能反應(yīng)堆等輕核聚變：氫彈等第11頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)第12頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)例題：計算氘核及氦核的結(jié)合能和平均結(jié)合能。解：（1）氘核：A=2，Z=1。氘核的原子質(zhì)量為2.014102u第13頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)（2）氦核：A=4，Z=2。氘核的原子質(zhì)量為4.002603u第14頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)三、原子核的性質(zhì)1、原子核的大小核半徑比原子半徑小106倍。豌豆粒大小的核(~mm)，其原子半徑約為~km。第15頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)原子核的密度:普通物質(zhì)的密度:第16頁/共92頁§14.1原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)2、核力(nuclearforce)核力：核子之間存在的一種短程強吸引力。（1）核力是一種短程力，作用距離10-15m；（2）核力與電荷無關(guān)；（3）核力是具有飽和性的交換力。核子之間的相互作用是通過π介子的交換實現(xiàn)的。第17頁/共92頁第二節(jié)放射性、衰變定律、核反應(yīng)放射性衰變

衰變定律人工核反應(yīng)第18頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)有些核素的原子核是不穩(wěn)定的，能自發(fā)地放出由某些離子組成的射線后變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。衰變的類型粒子：核粒子：電子；+粒子：正電子光子：能量高于X射線守恒規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動量和核子數(shù)。第19頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)第20頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)一、放射性衰變1、α衰變(1)衰變：質(zhì)量數(shù)A>209的放射性核素自發(fā)地放射射線而變成另一種核素的現(xiàn)象。(2)衰變過程式:(3)衰變位移法則：子核Y比母核X電荷數(shù)減少2，核子數(shù)減少4，在元素周期表要前移2位。第21頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)(4)衰變能Qα粒子獲得動能：子核Y獲得動能：衰變綱圖第22頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)2、β衰變(1)衰變：放射性核素自發(fā)地放射射線（高速電子）或俘獲軌道電子而變成另一種核素的現(xiàn)象。(2)衰變：(3)+衰變：正負電子偶湮滅，轉(zhuǎn)化為一對光子（0.511MeV）。(4)電子俘獲：母核俘獲一個核外軌道電子第23頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)(5)能譜圖：由于衰變過程中有中微子參與，衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配，因此射線的能譜是連續(xù)的。N粒子動能EmaxE峰值粒子數(shù)第24頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)3、γ衰變處于激發(fā)態(tài)的原子核在不改變其組成的情況下，以放出γ射線（光子）的形式釋放能量而躍遷到較低能級的現(xiàn)象。γ衰變通常是和α衰變、β衰變同時發(fā)生。(1)衰變:同質(zhì)異能躍遷。(2)內(nèi)轉(zhuǎn)換:

在某些情況下,原子核從激發(fā)態(tài)向低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時,不是通過放出光子,而是通過與核外電子發(fā)生能量交換把能量交給電子,使其脫離原子的束縛成為自由電子——內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。第25頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)衰變綱圖第26頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)二、衰變定律1、衰變定律為衰變常數(shù)(decayconstant)：表示一個原子核單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。第27頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)2、半衰期(halflife)半衰期（T）：原有的母核總數(shù)衰變一半所需的時間。衰變定律：OtN123第28頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)3、有效半衰期(effectivehalflifeperiod)在生物體內(nèi)的衰變規(guī)律λ：物理衰變常數(shù)；λb：生物衰變常數(shù)；λe：有效衰變常數(shù)有效半衰期、生物半衰期和物理半衰期之間的關(guān)系：第29頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)4、平均壽命(meanlifetime)平均壽命：每個核在衰變前平均能存在的時間。第30頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)5、放射性活度(radioactivity)放射性活度：放射源單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的母核數(shù)單位：1Bq（貝可勒爾）=1核衰變/秒

1Ci(居里)=3.71010Bq第31頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)例題：鐳的半衰期1600年，求鐳的衰變常數(shù)和1g鐳的放射性活度。解：鐳的質(zhì)量數(shù)A=226，1g鐳的原子核數(shù)為1g鐳的放射性活度第32頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)三、人工核反應(yīng)(artificialnuclearreaction)人工核反應(yīng)：人為地利用某種高速粒子去轟擊原子核，以引起核轉(zhuǎn)變。入射粒子靶核反沖核第33頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)反應(yīng)能：Q=EY+EbEa反應(yīng)后質(zhì)量虧損：m=(mX+ma)(mY+mb)反應(yīng)能：E=mc2，m>0，放出能量；m<0，吸收能量。Q=E第34頁/共92頁§14.2放射性、衰變定律、核反應(yīng)1.中子核反應(yīng)(n,),(n,p),(n,),(n,2n)2.質(zhì)子核反應(yīng)(p,),(p,n),(p,)3.氘核的核反應(yīng)(d,p),(d,n),(d,),(d,3H),(d,2n)4.粒子的核反應(yīng)(,p),(,n)5.光致核反應(yīng)(,n)第35頁/共92頁§14.1-§14.2小結(jié)1、2、結(jié)合能、平均結(jié)合能3、核力（1）核力是一種短程力，作用距離10-15m；（2）核力與電荷無關(guān)；（3）核力是具有飽和性的交換力。第36頁/共92頁α衰變β衰變γ衰變4、放射性§14.1-§14.2守恒規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動量和核子數(shù)。第37頁/共92頁6、衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命7、放射性活度

單位：1Bq=1核衰變/秒

1Ci(居里)=3.71010Bq§14.1-§14.25、衰變定律第38頁/共92頁8、人工核反應(yīng)§14.1-§14.2第39頁/共92頁第三節(jié)放射性核素放射線的劑量

放射性核素在醫(yī)藥方面的應(yīng)用第40頁/共92頁§14.3放射性核素一、放射線劑量(irradiationdose)1、照射劑量(exposuredose)照射劑量就是單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收的能量；測量照射劑量主要依據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥空氣中測量輻射產(chǎn)生的電離效應(yīng)，即測量X射線或射線在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的正（或負）離子電量來表征X射線或射線的照射量。單位：C/kg或倫琴(R)；1R=2.58×10－4C/kg第41頁/共92頁§14.3放射性核素2、吸收劑量(absorbeddose)吸收劑量是被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離能量；它是衡量單位質(zhì)量受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的一個物理量。單位：J/kg或戈瑞(Gy)；1Gy=1J/kg;

拉德(rad)；1Gy=100rad第42頁/共92頁§14.3放射性核素3、生物相對有效倍數(shù)和生物等效劑量

電離比值：每厘米路徑上所產(chǎn)生的離子對數(shù)。有機體在射線路徑電離比值大（即密集電離）時受到的破壞要比電離比值?。聪∈桦婋x）時受到的破壞大得多。用相對生物效應(yīng)倍數(shù)（relativebiologicaleffectiveness,RBE）來表示不同輻射對有機體的破壞程度。第43頁/共92頁§14.3放射性核素吸收劑量的等效劑量（equivalentdose），用符號H表示，它的量值等于吸收劑量與RBE的乘積。單位：希沃特(Sievert)，簡稱希（Sv）第44頁/共92頁§14.3放射性核素例題：有甲、乙兩人,甲的肺組織受粒子照射,吸收劑量為2mGy。乙的肺組織受粒子照射,吸收劑量為1mGy，同時還受到粒子照射,吸收劑量也為1mGy。試比較這兩人所受射線影響的大小。解：由表14-4可知,粒子的RBE=20,粒子的RBE=1,所以甲的肺組織受到的等效劑量為：H=210320=4.0102Sv同理,乙的肺組織受到等效劑量為：

110320+11031=2.1102Sv

相比之下，甲受到的輻射影響比乙大。第45頁/共92頁§14.3放射性核素4、輻射的防護（1）最大允許劑量(maximumpermissibledose)

放射線雖可用來診斷和治療疾病，但人體正常組織如果受到過劑量的照射，人體將會受到損害。因此，在應(yīng)用放射線的同時，要注意對它的防護。

國際上規(guī)定了一個最大的容許劑量,即經(jīng)過一次照射或長期積累，對人體沒有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。從業(yè)人員:50mSv/a;居民:5mSv/a.第46頁/共92頁§14.3放射性核素（2）外照射防護放射源在體外對人體進行的照射稱為外照射。人體接受外照射的劑量與離放射源的距離及照射時間有關(guān)。

射線的電離能力很強,但射程短，穿透能力小。由于射線不可能由體表深入體內(nèi)，故對其防護只要戴上手套即可;射線和射線穿透能力強，外照射不容忽視，對射線常用含有中等原子序數(shù)的物質(zhì)作屏蔽材料，如各種塑料和有機玻璃。射線多用重原子序數(shù)物質(zhì)如鉛、混凝土等來屏蔽。第47頁/共92頁§14.3放射性核素（3）內(nèi)照射防護用放射性核素注入體內(nèi)進行的照射叫內(nèi)照射。射線源進入體內(nèi)，由于其電離比值高，產(chǎn)生電離作用將對人體造成極大危害。故工作時要待別防止射線源由呼吸道、食管或外傷傷口進入體內(nèi)。第48頁/共92頁§14.3放射性核素二、放射性核素在醫(yī)藥方面的應(yīng)用1、示蹤的原理

用放射性核素作為示蹤原子，以研究其在體內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)移和代謝。并借助它們放出的射線，在體外探查該元素的行蹤，這種方法叫示蹤原子法。此外還有體外標(biāo)本測量法和放射自顯影。第49頁/共92頁§14.3放射性核素2、放射診斷

放射診斷主要是指核素成像，是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，常見有照射機、SPECT（單光子發(fā)射型計算機斷層成像）和PET（正電子發(fā)射型計算機斷層成像）等。3、放射治療

治療腫瘤的一種有效的物理療法，從射線照射方式可分為外照射、近距離照射和內(nèi)照射，臨床常用的外照射有60Co治療機、醫(yī)用直線加速器和

-刀等。第50頁/共92頁§14.3放射性核素（1）SPECTECT(這里主要指SPECT)是利用放射性同位素作為示蹤劑，將這種示蹤劑注入人體內(nèi)，使該示蹤劑濃聚在被測臟器上，從而使該臟器成為γ射線源，在體外用繞人體旋轉(zhuǎn)的探測器記錄臟器組織中放射性的分布，探測器旋轉(zhuǎn)一個角度可得到一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)一周可得到若干組數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以建立一系列斷層平面圖像。計算機則以橫截面的方式重建成像。第51頁/共92頁§14.3放射性核素PET是將發(fā)射正電子的同位素藥物注入人體之后，探測正電子在體內(nèi)被電子俘獲產(chǎn)生湮滅反應(yīng)時沿相反方向發(fā)出的兩個能量為0.511MeV的光子，從而獲得正電子標(biāo)記藥物在體內(nèi)的三維密度分布，以及這種分布隨時間變化的信息。即一種探測注入體內(nèi)的放射性核素放射出的

+產(chǎn)生湮沒光子對而實現(xiàn)斷層成像。例:

13N----13C+

+++Q

++-

----2

(能量為0.511MeV,方向相反傳播的光子)（2）PET第52頁/共92頁§14.3放射性核素PET掃描揭示悲哀時女性腦部(左)比男性腦部(右)更具代謝活性第53頁/共92頁第四節(jié)核磁共振核子的自旋與磁矩

原子核的自旋與磁矩核磁共振核磁共振譜第54頁/共92頁核——原子核磁——磁場核磁共振（NMR）——原子核在磁場中的響應(yīng)為什么原子核在磁場中會發(fā)生響應(yīng)呢？核有磁性核磁共振第55頁/共92頁§14.4核磁共振一、核子的自旋與磁矩（1）核子（質(zhì)子和中子）與電子一樣具有自旋，與之相聯(lián)系的有自旋角動量和自旋磁矩。（2）自旋角動量LI和軌道角動量一樣，均服從角動量的普遍法則，LI的大小是量子化的，I稱為自旋量子數(shù)。I

僅有一個值，而且是半整數(shù)：，故。第56頁/共92頁§14.4核磁共振（3）LI在Z

軸（外磁場）方向上的投影：。mI稱為自旋磁量子數(shù)。只能取兩個值：故。第57頁/共92頁§14.4核磁共振1、質(zhì)子和中子自旋角動量自旋量子數(shù)：I=1/2自旋磁量子數(shù)：mI=1/2自旋角動量大?。篖I在Z

軸（外磁場）方向上的投影：(簡稱自旋)zL23h0h21h21第58頁/共92頁§14.4核磁共振2、質(zhì)子和中子磁矩核磁子μN

：（1）質(zhì)子磁矩在外磁場方向的分量（2）中子磁矩在外磁場方向的分量第59頁/共92頁§14.4核磁共振二、原子核的自旋與磁矩1、原子核的角動量即核自旋(nuclearspin)原子核內(nèi)核子的固有角動量和軌道角動量的矢量和。式中I為原子核的自旋量子數(shù)(spinquantumnumber)偶-偶核,12C,16O等,I=0；奇-偶核,1H,31P等,I=n/2,(n=1,3,5,·

·

·

)；奇-奇核,6Li,14N等,I=n,(n=1,2,3,·

·

·)。第60頁/共92頁§14.4核磁共振2、原子核的自旋角動量在空間某一選定方向(如Z方向)上的投影也是量子化的式中m為磁量子數(shù):m=I，I–1，·

·

·

–I+1，–I。共2I+1個可能取值，對應(yīng)原子核的自旋角動量在外磁場中有2I+1個可能的取向。第61頁/共92頁§14.4核磁共振3、原子核的磁矩與原子核的自旋

式中為核自旋磁旋比，g為朗德因子。4、原子核的總磁矩及其在外磁場的分量也都是量子化的第62頁/共92頁§14.4核磁共振三、核磁共振1、自旋核在磁場中的能級劈裂

自旋不為零的原子核與外磁場的相互作用，一方面產(chǎn)生核繞B的旋進，另一方面產(chǎn)生了核的附加能量，造成原子核能級的劈裂。當(dāng)頻率為10-100MHz的射頻(radiofrequency，RF)電磁波對樣品照射，若RF電磁波的能量剛好等于原子核能級劈裂的能級差，就會出現(xiàn)樣品中的原子核強烈地吸收電磁波的能量，從劈裂后的低能級向相鄰的高能級躍遷的現(xiàn)象，這就是核磁共振現(xiàn)象中的共振吸收。第63頁/共92頁§14.4核磁共振2、劈裂能級間的躍遷

（1）磁矩在外磁場作用下產(chǎn)生附加能量m

只能取2I+1個值,對I=1/2的氫核m

=1/2、–1/2自旋進動B自旋進動B（2）能級劈裂的間距，即裂距：第64頁/共92頁§14.4核磁共振3、核磁（自旋核在磁場中與射頻電磁波）共振的條件——即雙方最大的交換能量的條件第65頁/共92頁§14.4核磁共振氫核無磁場第66頁/共92頁§14.4核磁共振氮核無磁場第67頁/共92頁§14.4核磁共振4、拉莫爾（Larmor）公式的自旋核在磁場B中，除自身旋轉(zhuǎn)外，還以B的方向為軸線產(chǎn)生進動，進動角頻率ω0：ω0稱為拉莫爾進動角頻率，它除了與B有關(guān)外，還與原子核種類有關(guān)。第68頁/共92頁§14.4核磁共振只有當(dāng)RF的角頻率與外磁場B符合拉莫公式，才能發(fā)生能級躍遷，即共振吸收。RF角頻率原子核的磁旋比,不同的核不同外磁場強度（T）第69頁/共92頁§14.4核磁共振四、核磁共振譜(NMRS)1、核磁共振譜以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標(biāo)，發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）為橫坐標(biāo)，繪出一條共振吸收的強度與發(fā)生共振的頻率（或磁感應(yīng)強度）變化的曲線，稱為核磁共振波譜，建立在此原理基礎(chǔ)上的一類分析方法稱為核磁共振譜法。應(yīng)用最普遍、最重要的是1H核磁共振譜，它能夠提供質(zhì)子類型及其化學(xué)環(huán)境、氫分布和核間關(guān)系等信息。第70頁/共92頁§14.4核磁共振2、馳豫過程和馳豫時間所有的吸收光譜（波譜）具有共性，即外界電磁波的能量hν等于分子中某種能級的能量差ΔE時，分子吸收電磁波從較低能級躍遷到較高能級，相應(yīng)頻率的電磁波強度減弱。與此同時還存在另一個相反的過程，即在電磁波作用下，處于高能級的粒子回到低能級，發(fā)出頻率為ν的電磁波，因此電磁波強度增強，這種現(xiàn)象稱為受激發(fā)射。吸收和發(fā)射具有相同的幾率。如果高低能級上的粒子數(shù)相等，電磁波的吸收和發(fā)射正好相互抵銷，觀察不到凈吸收信號。第71頁/共92頁§14.4核磁共振事實上Boltzmann分布表明，在平衡狀態(tài)下，高、低能級上的粒子數(shù)分布由決定。由此可見，低能級上的粒子數(shù)總是多于高能級上的粒子數(shù)，所以在波譜分析中總是能檢測到凈吸收信號。為了要持續(xù)接收到吸收信號，必須保持低能級上粒子數(shù)始終多于高能級。第72頁/共92頁§14.4核磁共振這在紅外和紫外吸收光譜中并不成問題，因為處于高能級上的粒子可以通過自發(fā)輻射回到低能態(tài)。自發(fā)輻射的幾率與能級差ΔE成正比，在紫外和紅外吸收光譜中，電子能級和振動能級的能級差很大，自發(fā)輻射的過程足以保證低能級上的粒子數(shù)始終占優(yōu)勢。第73頁/共92頁§14.4核磁共振在核磁共振波譜中，因外磁場作用造成能級分裂的能量差比電子能級和振動能級差小4-8個數(shù)量級，自發(fā)輻射幾乎為零。因此，若要在一定的時間間隔內(nèi)持續(xù)檢測到核磁共振信號，必須有某種過程存在，它能使處于高能級的原子核回到低能級，以保持低能級上的粒子數(shù)始終多于高能級。這種從激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)到Boltzmann平衡的過程就是弛豫（relaxation）過程。第74頁/共92頁§14.4核磁共振弛豫過程對于核磁共振信號的觀察非常重要，因為根據(jù)Boltzmann分布，在核磁共振條件下，處于低能級的原子核數(shù)只占極微的優(yōu)勢。下面以1H核為例作一計算。設(shè)外磁場強度B0為1.4092T（相當(dāng)于60MHz的核磁共振譜儀），溫度為270C（300K）時，兩個能級上的氫核數(shù)目之比為：第75頁/共92頁§14.4核磁共振即在設(shè)定的條件下，每一百萬個1H中處于低能級的1H數(shù)目僅比高能級多十個左右。如果沒有弛豫過程，在電磁波持續(xù)作用下1H吸收能量不斷由低能級躍遷到高能級，這個微弱的多數(shù)很快會消失，最后導(dǎo)致觀察不到NMR信號，這種現(xiàn)象稱為飽和。在核磁共振中若無有效的弛豫過程，飽和現(xiàn)象是很容易發(fā)生的。第76頁/共92頁§14.4核磁共振（1）自旋-晶格弛豫自旋核與周圍分子（固體的晶格，液體則是周圍的同類分子或溶劑分子）交換能量的過程稱為自旋-晶格弛豫，又稱為縱向弛豫。核周圍的分子相當(dāng)于許多小磁體，這些小磁體快速運動產(chǎn)生瞬息萬變的小磁場──波動磁場。這是許多不同頻率的交替磁場之和。若其中某個波動場的頻率與核自旋產(chǎn)生的磁場的頻率一致時，這個自旋核就會與波動場發(fā)生能量交換，把能量傳給周圍分子而躍遷到低能級。第77頁/共92頁§14.4核磁共振縱向弛豫的結(jié)果是高能級的核數(shù)目減少，就整個自旋體系來說，總能量下降。縱向弛豫過程所經(jīng)歷的時間用T1表示，T1愈小、縱向弛豫過程的效率愈高，愈有利于核磁共振信號的測定。一般液體及氣體樣品的T1很小，僅幾秒鐘。固體樣品因分子的熱運動受到限制，T1很大，有的甚至需要幾小時。因此測定核磁共振譜時一般多采用液體試樣.第78頁/共92頁§14.4核磁共振（2）自旋-自旋弛豫核與核之間進行能量交換的過程稱為自旋-自旋弛豫，也稱為橫向弛豫。一個自旋核在外磁場作用下吸收能量從低能級躍遷到高能級，在一定距離內(nèi)被另一個與它相鄰的核覺察到。當(dāng)兩者頻率相同時，就產(chǎn)生能量交換，高能級的核將能量交給另一個核后躍遷回到低能級，而接受能量的那個核躍遷到高能級。交換能量后，兩個核的取向被掉換，各種能級的核數(shù)目不變，系統(tǒng)的總能量不變。第79頁/共92頁§14.4核磁共振橫向弛豫過程所需時間以T2表示，一般的氣體及液體樣品T2為1秒左右。固體及粘度大的液體試樣由于核與核之間比較靠近，有利于磁核間能量的轉(zhuǎn)移，因此T2很小，只有10-4-10-5秒。自旋—自旋弛豫過程只是完成了同種磁核取向和進動方向的交換，對恢復(fù)Boltzmann平衡沒有貢獻。第80頁/共92頁§14.4核磁共振（3）影響NMR譜線的寬度的因素弛豫時間決定了核在高能級上的平均壽命T，因而影響NMR譜線的寬度。由于1/T=1/T1+1/T2

，所以T取決于T1及T2之較小者。由弛豫時間（T1或T2之較小者）所引起的NMR信號峰的加寬，可以用海森伯測不準(zhǔn)原理來估計。從量子力學(xué)知道，微觀粒子能量E和測量的時間t這兩個值不可能同時精確的確定，但兩者的乘積為一常數(shù)，即：ΔEΔt≈hΔE=hΔνΔν=1/Δt=1/T第81頁/共92頁§14.4核磁共振Δν為由于能級寬度ΔE所引起的譜線寬度，它與弛豫時間成反比，固體樣品的T2很小，所以譜線很寬。因此，常規(guī)的NMR測定，需將固體樣品配制成溶液后進行。第82頁/共92頁§14.4核磁共振3、化學(xué)位移（thechemicalshift）（1）化學(xué)位移：核磁共振的頻率

=B0，不僅與外加磁場及核磁矩有關(guān)，還要受到磁核所處環(huán)境的影響，這個效應(yīng)稱為化學(xué)位移。第83頁/共92頁§14.4核磁共振原因：當(dāng)裸露核處于外磁場B0中，它受到B0所有的作用。而實際上，處在分子中的核并不是裸露的，核外有電子云存在。核外電子云受B0的誘導(dǎo)產(chǎn)生一個方向與B0相反，大小與B0成正比的誘導(dǎo)磁場。它使原子核實際受到的外磁場強