大学化学, 2021, 36(4): 2004004-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202004004

师生笔谈

核磁共振原理中几个基本概念的教学处理

马忠华, 曹秀芳, 江洪, 马济美,

An Attempt on the Teaching Basic Concepts of the Nuclear Magnetic Resonance

Ma Zhonghua, Cao Xiufang, Jiang Hong, Ma Jimei,

通讯作者: 马济美, Email: majimei@mail.hzau.edu.cn

收稿日期: 2020-04-1   接受日期: 2020-07-30  

基金资助: 华中农业大学一流课程课堂研究与改革项目.  2019055

Received: 2020-04-1   Accepted: 2020-07-30  

Abstract

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a frequently used spectral method for structural analysis of organic compounds. It is also an important content in the teaching of spectroscopy course. The principle of nuclear magnetic resonance involves some basic concepts including magnetic nucleus, nuclear spin, angular momentum, magnetogyric ratio, electric quadrupole moment, and the change of the internal nuclear energy level distribution in external magnetic field, etc. These concepts are important for the beginners to understand the principle of nuclear magnetic resonance. In this article, the attempt to rationally simplify the complex principle of quantum physics and elucidate the principle from the view of chemistry discipline, and to reasonably integrate ideological and political elements in teaching is discussed. This practice would not only help the students to understand the basic principle in depth, but also cultivate their scientific and systematical thinking and ability to solve complex problems.

Keywords: Nuclear magnetic resonance ; Magnetic nucleus ; Magnetogyric ratio ; Nuclear magnetic moment ; Angular momentum

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马忠华, 曹秀芳, 江洪, 马济美. 核磁共振原理中几个基本概念的教学处理. 大学化学[J], 2021, 36(4): 2004004-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202004004

Ma Zhonghua. An Attempt on the Teaching Basic Concepts of the Nuclear Magnetic Resonance. University Chemistry[J], 2021, 36(4): 2004004-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202004004

波谱学课程中,核磁共振与紫外、红外一样,都遵循分子吸收光谱的基本原理,但核磁共振原理更为复杂[1-4]。一方面,核磁共振利用了电磁波的磁场性质进行激发跃迁,涉及到的物理学规律不仅包括电磁波的传播、能量转移规律,还包括电-磁相互作用的基本原理;另一方面,核磁共振需要首先采用外磁场制造能级分裂,然后再利用电磁波进行激发,产生并检测信号。相较而言,红外、紫外光谱不涉及电-磁相互作用原理,也不需要“制造”能级分裂,而是能直接进行激发和检测,因而在教学过程中,核磁共振的难度无疑是更大的。组织教学要求教师的知识面具有一定的广度和深度,不仅要熟悉原子核的电、磁性质,而且要能合理运用量子物理学的复杂原理。

本文通过对原子核的结构和性质进行近似处理,对核磁共振原理中涉及到的基本概念进行简化、形象化的处理,在教学中,探究如何帮助学生从源头上理解核磁共振产生的条件、核磁共振的检测和应用范围等。在此过程中,也培养学生运用科学的方法,对复杂问题进行思考、剖析、处理的能力,提升学科专业意识。

1 原子核的自旋与磁性核

1.1 基本的物理学原理

磁性核是贯穿核磁共振内容的一个基本概念,与原子核的自旋密切相关,而核自旋的概念经历了实验–假说–实践–理论–应用的发展过程,最终形成完整的理论,相应地磁性核也有具体的物理意义。1924年,泡利观察到原子光谱的超精细结构,由此出发,提出原子核必须有自旋。1932年发现中子,原子核自旋的物理基础开始被理解[5]。尽管中子总体表现为电中性,但是与质子一样,在原子核的自旋中起的作用不容忽视,两者被统称为核子。核子和电子的电荷性质完全不同,但它们本征的物理性质却具有很多共性,都具有固有的自旋角动量(ħ/2)。

质子和中子自旋产生的磁矩μs,实验测定分别为约2.79285核磁子和-1.91304核磁子。中子的磁矩,方向与带负电荷的电子一样,与质子相反,是原子核自旋起源的重要构成,也是核磁共振的重要组成部分,如图 1所示。这意味着在中子的内部结构中,电荷分布不均匀。所有核子(质子和中子)的总的自旋角动量(s),会产生自旋磁矩μs,是原子核自旋的一个重要组成。

图1

图1   核子的内部电荷结构与自旋磁矩示意图

左图为质子,右图为中子


质子和中子都排布在轨道上,这与电子排布也依赖于轨道相似。质子带正电性,轨道运动产生“轨道磁矩”,与自旋产生的磁矩同时存在,两者之间还会产生耦合。质子的轨道磁矩是原子核自旋的另一个重要组成,也是核磁共振起源的要素之一(图 2)。相反,中子由于总体呈电中性,它的轨道的运动不会产生轨道磁矩。

图2

图2   核自旋起源的物理构成及化学认知的局限


轨道的运动产生轨道角动量l。轨道角动量概念的提出与核自旋相似,最初也是从实践中得到观察数据,然后给出的理论解释。核子在轨道上的分布和运动,与电子一样,遵从泡利不相容原理,同一轨道最多容纳两个质子或两个中子,它们自旋取向相反。所不同的是,核子只是在很小的空间内运动,不像电子那么“自由”。相较于与核内其他核子之间的作用,同一轨道上两个配对核子间还有一个额外的较弱的作用力,非中心力,如果要使其中一个核子的自旋状态取向发生改变,需要克服这个非中心力的作用。实验发现,在高能核子-核子的散射实验中,观察到的出射中子自旋状态的取向变化,无法仅仅从非中心力获得定量的解释,只有引入了核子自旋与轨道角动量耦合的概念后,才能解释实验结果。

物理学中提出原子核的壳模型,假定配对的核子对核磁矩没有贡献。如果原子核内所有核子都是配对的,由于配对核子的自旋取向相反,自旋的磁效应μs相互抵消,也没有与轨道磁矩的耦合。这样的核,被看作总体核磁矩为0。

1.2 教学中存在的问题与难点

在教学中一般会直接使用磁性核的概念,对不同原子核进行分类,或者作为经验规则进行简单介绍。教学的重心,是强调磁性核作为核磁共振方法的物质基础,在外磁场作用下所表现出的性质、特征,与有机化合物的结构或者有机反应的参数关联,在结构解析、反应机理分析上发挥作用。这样处理,能有效将教学重点直击化学学科的内容,避免过多纠缠于复杂的物理学原理。然而,从认知的角度看,对基本概念的模糊处理,难免引起初学者的困惑,致使初学者对学习内容停留在机械记忆的阶段。从物理起源上对这个概念进行必要的解释将有助于学生从作用机制上理解核磁共振的原理,对知识点展开理解记忆,促进学生思维发展。

化学专业学生习惯于从化学反应的层面分析基本粒子的性质,着眼于质子、中子和电子完全不同的电荷性质。这对于理解它们本征的物理性质的共性,从核子的自旋理解核磁共振的起源,会造成一定思维意识上的障碍(图 2)。化学学科中将质子看作点电荷,质子总体带正电,自旋产生磁矩不难被理解接受,但中子也被看作点粒子,构成原子核,中子自旋产生角动量和磁矩就需要转变思维才能理解。

波谱学内容中磁性核的概念正是基于核自旋表现出来的性质不同,对原子核进行的分类。上述物理学的理论,起源和内容与化学学科并没有紧密关联,教学中不可能也不必要进行详细讲解。教师也可以引导学生查阅参考书,但显然,自学这部分内容存在不小的难度。

1.3 教学处理

我们对概念的教学处理,是基于其物理起源,采用图示,对磁性核的主要特征进行示意(见表 1),力求在课堂教学内进行合理解释。

表1   常见核的核磁矩实验值及图示说明

核的分类同位素自旋量子数(I)核磁矩电四极矩Q图示说明
非磁性核4He000质子和中子数为偶数,所有核子均配对,总体没有磁效应
12C000
磁性核1H1/22.792850单个成单质子或者中子,原子核电荷分布均匀
13C1/20.702410
17O5/2-1.8938< 0核子数为奇数,总体有磁效应。多个成单核子
2H(D)10.85744> 0质子和中子数为奇数,有两个成单核子,总体有磁效应。I = (1/2 + 1/2) = 1
14N1+0.40376> 0

黑色实现箭头表示质子,红色虚线箭头表示中子
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1.3.1 非磁性核

首先理解非磁性核对外界电磁场没有响应的原理。具有偶数质子和偶数中子的核(偶偶核4He,12C,16O等),所有质子和中子都遵循泡利不相容原理,两两配对,总体核磁矩和核的自旋为0,对外界电磁场不响应,自旋量子数I = 0。此外,核的电荷分布均匀,原子核为球形,用作表征核的电荷分布均匀性的参数电四极矩Q = 0。

1.3.2 含一个成单核子的磁性核(奇偶核)

如果总核子数为奇数,必然存在一个未配对的成单的核子(奇偶核)。无论是成单质子还是中子都有净自旋磁矩μs,对外界电磁场都有响应,核磁矩来自这个单核子的运动,这类原子核为磁性核。波谱学课程要求掌握的核磁共振的最主要的对象是这类磁性核,例如,1H,13C,19F,31P等。如上1.1节所述和图 2所示,单核子的运动包括两个方面,本身的自旋产生的动量s,所在轨道的角动量l

在波谱学课程中,一般限于对核磁共振的定性的分析应用,不涉及对核磁矩的精确测定和计算,这让我们在教学中可以简化轨道角动量的贡献。主要处理策略如同图 2所示,将核的自旋等同于单核子的自旋(1/2)进行处理,核自旋量子数I = 1/2。

由于电磁感应,原子核的磁性质与电荷分布性质密切相关。核的电荷分布用电四极矩Q表示。对于I = 1/2核,Q = 0,这是一个可以从量子力学严格证明的结果,教学中也进行简化处理便于理解。单个中子总体不带电荷,对电四极矩没有贡献,核电荷呈球形分布,Q = 0。核磁共振的常规研究对象通常就是含一个成单中子,例如,13C,19F,31P。含成单质子的核1H,单质子构成了原子核,核电荷的分布等同于这个质子电荷分布,因而Q = 0。

这样,对于Q = 0的非磁性核(I = 0)和单粒子磁性核(I = 1/2),我们都可以用一个简化的正圆形来表示原子核,用单个的箭头表示基态状态下的单核子的自旋(s = 1/2)。配对的核子,用一对取向相反的箭头表示,它们的自旋磁矩相互抵消,对外界磁场没有响应,在核磁共振中也就无需考虑。

这种近似处理对于复杂体系并不适合,例如,17O核中,成单中子的运动可能影响到核中质子的分布,就需要考虑核的集体运动对电四极矩的影响[5],不过这些已经不是波谱学课程的常规教学内容,教学中可以作为特例,点明近似处理的局限性。

1.3.3 含多个成单核子的磁性核(奇奇核)

另一类磁性核,含有奇数个质子和奇数个中子(奇奇核),处于基态的质子和中子各有一个成单,自旋均为1/2,同样将核自旋等同于单核子的自旋进行处理,所以核的自旋量子数I = 1/2 + 1/2 = 1。

对这类核的电四极矩,基于质子和中子的整体电性不同进行教学处理。成单质子和成单中子分别为正电性和电中性,在核内运动和分布,必然会导致电荷分布不均匀,导致产生核的变形,Q ≠ 0。对于两个成单核子的自旋与轨道之间的耦合,对电四极矩的影响无需考虑。

这类原子核不是核磁共振的常规研究对象,不过与核磁谱图也密切相关。例如,2H核(D核)尽管同位素丰度低,通常不考虑它对物质信号峰的影响,但它普遍用在核磁溶剂中,影响到谱图中的溶剂峰的裂分形式。在氢谱中,CD3SOCD3溶剂由于氘代不完全残余的质子峰,可能受到2H核的影响呈现三重峰;在碳谱中,2H核分别将CD3SOCD3和CDCl3溶剂峰裂分为七重峰和三重峰,这都与I = 1的性质相关。

另一个奇奇核14N同位素丰度高,电四极矩Q ≠ 0导致的核的变形,对相邻1H核的信号会产生明显的影响。例如,有机化合物中存在的各类活泼氢,-NH2/-NHR氢的峰型一般较宽,这是因为相邻的14N不规则的电四极矩,以及相对慢的质子交换速度,会造成氢的信号变宽[6]

采用简化的椭圆形表示这一类原子核,同样用单箭头表示成单核子,可以表达这类磁性核Q ≠ 0核的主要特征,其他的处理方法,与上述对于I = 1/2,Q = 0的磁性核的处理相同。波谱学教学要求中,一般只对于Q ≠ 0进行定性描述,不考虑Q > 0和Q < 0两种具体的情况,用椭圆形简化处理的方法,可以让学生初步理解奇奇核的磁和电两方面的性质特征。

17O核涉及单核子自旋与轨道耦合引起的能级分裂,以及复杂的能级跃迁引起的质子重新分布[5],也简化为用椭球型表示其电四极矩不为0。

上述教学处理,可以归纳为两个基本的要点。第一,质子、中子在量子物理学上的性质和运动规律与电子相似,包括粒子配对遵循泡利不相容原理,都存在两种自旋取向等,这不完全等同于化学学科对于这几类粒子的定义。新的观点的阐释将进一步拓展学生对于基本粒子的认识。第二,质子和中子与电子相似,分布在不同能级的轨道上,主要是最后一个能级上的成单核子产生磁矩,对外磁场产生响应,这是核磁共振的物质基础,原子核也据此分为磁性核和非磁性核。

因而,总体来看,原子核的自旋和磁性核这两个基本概念,尽管涉及复杂的物理学原理,但可以在学生现有的知识基础上比对电子进行阐释。在教学中引入这部分内容不会过多增加学生的学习负担,也无需增加学时。自旋-轨道耦合在教学的主要研究对象中基本不涉及。有意义的是,这些内容能帮助学生进一步理解整体课程内容,例如上述溶剂峰的裂分等实验事实。再例如,16O和32S,两类丰度最大的同位素核,都是偶偶核(非磁性核),对活泼氢的信号不会产生影响,-OH和-SH活泼氢不会像-NH2那样出现宽峰。

2 磁旋比与角动量

2.1 基本的物理学原理

磁性核的自旋产生的角动量P,包括所有核子的总自旋(s)和轨道角动量(l) [7],可以表示为P = s + l。这些物理参数都是矢量,在作用方向上存在耦合。同时,磁性核由于自旋产生磁矩(μ),包括核子自旋产生的自旋磁矩μs和轨道运动产生的轨道磁矩μl,同样可以表示为μ = μs + μl,也存在作用方向上的耦合。成对的质子自旋对sμs没有贡献;但质子所在的轨道在运动中产生l,由于质子带正电荷,相应的会产生一个轨道磁矩μl。如果是成单的核子,包括质子和中子,都会产生sμs

磁性核的角动量P与产生的磁矩μ之间的关联,可以依据Bohr理论,经过数学计算推导出来。单个带电核子的轨道运动等价于载流线圈,如图 3(左所示[7]

图3

图3   磁性核轨道磁矩μl的产生


所产生的轨道磁矩μl的大小为μl =iAi表示电流,可用核子的带电量e进行换算;A为粒子轨道包围的面积,通过r计算。轨道角动量l与运动半径r和角速度相关,中心电场中l守恒。将Ai的表达式代入计算,可以得到轨道磁矩与轨道角动量之间的关系式: $\mu_{l}=i A=\frac{e}{2 m_{\mathrm{I}}} l$表示核子的质量。同时,核子自旋产生自旋磁矩μs,与自旋角动量s之间的关系式为: $\mu_{l}=\frac{e}{m_{\mathrm{I}}} s $.

由此推导,将总的核磁矩μ用轨道角动量l和自旋角动量s表示为:

P = s + l代入,则μ = $ \frac{\text{e}}{\text{2}{\text{m}}_{\text{I}}} $(P + s)。

从这个关系式看,磁矩μ和角动量P在数值上并不成比例关系,磁旋比μ/P没有清晰的物理意义。Pμ两个矢量之间,总存在一个小于90°的夹角,并不共线。除了总的角动量P对核磁矩μ有贡献之外,核的自旋角动量s还有一个附加的贡献,或者说,磁矩μ绕着总角动量P旋转。两者之间的关系,用图 3(右)表示。因而,磁矩μ在动量P的方向上存在两个分量,一个垂直于P,一个则与P平行。垂直分量绕P旋转,因而对外的平均效果为零。由此可见,并不是所有的磁矩μ都会对外磁场产生响应,能够产生响应,影响到动量P的磁矩,只有平行分量,用μP表示,这就是磁性核的核磁矩。通过实验测得的是μP而不是μ

从量子物理学可以推导出,μP与核动量之间的关系为 $ \mu_{P}=g_{\rm{I}} \mu_{\rm{N}} P$。其中,gI为核的g因子,μN为核的Bohr磁子(核磁子),是核子的内禀性质,角动量P则是量子化的,在与外磁场作用时,外磁场方向上的分量Pz也是量子化的。

通过上述图 3(右)和推理我们可以看到,磁旋比μ/P,实际上是指有效分量μP/P,这个比值正比于磁性核的g因子(gI)。因而,磁旋比与g因子一样,是磁性核的特有的属性(教材中也会用旋磁比),核磁共振实验就是测定这个值的手段。

2.2 教学中存在的问题与难点

在多数波谱学教材中,简单以磁矩和角动量的比值对磁旋比进行定义,不会强调磁旋比的物理意义。在化学及相关学科中,对核磁共振的主要研究对象的表征与分析,直接应用这个概念足以进行。但是,从认知的角度看,不了解磁旋比的物理意义,初学者无法理解,不同的磁性核在同样的测定条件下,对外磁场响应存在的差异,也无法从根本上理解Lamor进动和Lamor方程等内容。这些内容,是化学学科理解核磁共振的基础。

从上述物理原理来看,磁旋比μ/P的分析,需要考虑自旋-轨道耦合,是衡量磁性核对外界磁场响应灵敏度的物理参数,实际上是基于磁性核的运动本质所给的定义,这不同于对磁性核的自旋进行定性分析。简而言之,磁旋比μ/P是一个量化的概念,从量子物理学的基本原理进行解释,化学课堂教学难度很大。

2.3 教学处理

在教学中,对磁旋比物理意义进行必要解释,帮助学生进行理解,将有利于学生从根源上理解核磁共振的原理,以及化学位移的相关内容,有利于深化学生对于紫外、红外、核磁这些分子吸收光谱原理的异同点的认识。

用磁旋比的概念表示磁性核对外磁场响应的灵敏度,角动量P采用的是一个平均值,核子运动的轨迹也不是封闭的环形。我们的教学处理,是把磁性核的运动近似为球体在圆形轨道上行进(图 4)。磁性核在绕自旋轴自旋的同时,沿着轨道向前进动,这很类似于地球的自转与公转。由于原子核是带正电荷的,它的运动方向就是电流方向,从右手螺旋法则很容易判断,磁性核所具有的自旋角动量和产生的磁矩方向是一致的,轨道角动量和产生的磁矩方向也是一致的。这些物理参数之间,不仅存在数值关系,同时也存在方向关联,这是自旋与轨道耦合的基础。因而,磁旋比所表示的含义,也不仅仅是一个比值,而是磁性核内禀性质的度量参数。

图4

图4   磁性核运动的角动量和磁矩示意图


这对于学生理解Lamor进动具有解惑的作用。波谱学教材中给出的自旋核(I = 1/2)在外磁场中的定向取向和进动示意图一般如图 5()所示。磁性核在外磁场中进行定向排列,此时磁性核如同小磁针,排列方向与外磁场方向一致或者相反,与外磁场夹角为0或者180°,但在Lamor进动时,自旋核与外磁场方向有一个明显的夹角(54.74°,图 5())。大部分教材会简要解释,这是由于核的自旋导致的,这仍然难免让初学者困惑。从核的角动量和磁矩的解释很容易进行理解,Lamor进动中的自旋轴是核的旋转角度,这个角度对应的是自旋角动量s和自旋磁矩μs的方向,外磁场影响的则是核的有效总磁矩μP,它与μs的矢量方向并不相同,所以在Lamor进动示意图中,自旋轴与外磁场是有明显的夹角的,自旋-轨道耦合的影响不能忽略。

图5

图5   磁性核在外磁场中的取向与进动


3 核子的内在能级与外磁场导致的能级分裂

3.1 基本的物理学原理

对核磁共振的能级分裂的解释,涉及核子与电子不一样的运动特性。如图 6所示,原子存在相对固定的中心体原子核,所有核外电子都在以原子核为中心的能量势场中相对独立地运动,电子能量不同,性质差异很大,电子之间的作用,主要是相对较弱的电场力。但是原子核内部,所有核子都是平等的,没有固定中心体。从原子核和原子半径的单位量级简单计算(原子核10-15 m,原子10-10 m),原子核半径大约只有原子半径的十万分之一,但是原子核的质量占据原子质量的99.96%以上。原子核在极小的体积内容纳了大量核子,核子与核子之间的依靠超强作用力相互作用,被称为核力,核力与电场力的作用有本质的区别[5]

图6

图6   原子与原子核的基本结构示意图


理论物理学家提出,任何一个核子,在核内都保持相当自由的运动,但是这个运动受到核内其他所有核子的共同作用,这个共同作用形成一个平均的能量势场,核子处在不同的能级状态。核子遵循泡利不相容原理,占满相邻能级,核子的碰撞不能导致核子状态的改变。

核子与电子一样,在轨道上存在两种可能的自旋状态,用磁量子数m = ±1/2表示。如果两个核子配对,则遵循泡利不相容原理,自旋方向相反;如果是成单电子,则只能采取一种自旋状态。这两种状态,在能量上没有差异,在空间的几率没有差别,仅仅只是波函数的位相不同,两者之间不存在跃迁,通常的表述是,在没有外磁场作用时,磁性核是随机取向排列的,成单核子的自旋方向随机分布。但是一旦出现外磁场作用,这两个自旋状态之间将产生一个能级差,成单核子将处于能量低的基态,m = +1/2,核自旋产生的磁矩与外加磁场一致。当外界再提供一个频率合适的电磁波时,核子吸收能量从m = +1/2跃迁到m = -1/2的高能态,产生吸收信号。所以核磁共振所使用的强大的外磁场所造成的能级分裂并不是原子核轨道的能级分裂,仅仅是在核子的两种自旋状态之间造成了差异。不过,这个能级差异实际上非常小,处于高能级m = -1/2和处于低能级m = +1/2的磁性核的数目,总体差异也非常小,这造成在实际的核磁应用中需要不断提高技术和手段,以满足日益增长的对核磁检测灵敏度的需求,通常也会采用在较低温度下检测,帮助提高检测灵敏度。

3.2 教学中存在的问题与难点

核磁共振与红外和紫外一样,同属于吸收光谱,基本的原理都是粒子吸收量子化的能量,产生能级跃迁,差别只在于电磁波的作用对象和跃迁能级。但是,在核磁共振中,必须外加一个强大的外磁场来制造能级分裂,然后再用一个电磁场完成对粒子的激发。

这个人为制造的能级分裂,显然不是原子核本身存在的,教学过程中一般会解释如何制造能级分裂,能级分裂对产生核磁共振的重要性。但是为什么要制造这个能级分裂的过程,而不是利用原子核自身的能级差异进行激发和检测,教学过程中一般不予解释。初学者的认知难免将核磁分裂的能级与紫外、红外分析中分子内在的跃迁能级等同,对外磁场和射频场的作用产生混淆与困惑。对能级分裂进行必要的解释,将有助于学生理解共振频率、弛豫等重点内容,不仅对知识进行系统理解,也可能激发学生对于核磁机理的研究兴趣。例如,利用弛豫时间的测定做一些实践应用的研究。

3.3 教学处理

如前所述,核子与电子具有很多共性,在物理学上甚至被划分为同一类粒子,我们在教学中采取如下策略组织教学内容。

一是结合原子核体积小、质量大的“常识”,对核子之间超强作用的核力进行引入和简单介绍。由于原子核内核子之间的作用力过于强大,尤其是配对核子之间,要直接通过电磁波激发产生核子的能级跃迁几乎不可能。这种超强大的作用力,不同于宏观物质世界中的机械力、电磁力,在物理学上被称为核力,发生在10 fm内。因而,我们无法像在红外和紫外吸收光谱中那样,直接采取电磁辐射造成核子的能级跃迁。

二是与电子的性质类比。例如,电子配对、电子轨道、电子跃迁等等,这些内容学生比较熟悉,容易接受。这样可以避免过度增加课程内容的难度。核子配对的基本观点,也有助于学生进一步理解为什么原子核被划分为磁性核和非磁性核两大类。偶偶核一定是非磁性核,并不是说它在电磁场中不会发生任何变化,而是核子配对导致轨道全满,核子又无法跃迁到高能级空轨道的缘故。

原子核能级的概念,可以避免学生误认为核内没有能级而需要外磁场制造能级分裂;至于弛豫的过程,也无非是外磁场作用下核子自旋状态的改变,这个改变的能量差实际上是非常小的,所以饱和弛豫的条件很容易达到,实际操作中就能根据需求,对不同类型的磁性核进行技术处理。

4 结语

在核磁共振教学中适当引入量子物理学基本原理,对最基本的概念进行阐释,能更好帮助学生理解核磁共振的原理,理解分子吸收光谱的特点;通过图示可视化展示,结合学生熟知的知识背景,进行合理的处理,能弱化量子力学引入带来的课程难度的增加。在不过多增加课程难度、不增加学时的前提下,有利于学生对于重点知识点的系统把握,培养学生利用波谱学知识洞察化学反应的能力和实践出真知的科学的实践观,从知识传授、能力培养、价值引领方面全面促进学生思维发展。

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