电子顺磁共振现象课件.ppt
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1、6.1 6.1 原子吸收光谱原子吸收光谱6.2 6.2 顺磁共振顺磁共振6.3 6.3 核磁共振核磁共振6.4 6.4 原子核的衰变原子核的衰变原子光谱法原子光谱法根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析的方法。的方法。原子吸收光谱法:原子吸收光谱法:基于测量试样所产生的原子蒸汽中基于测量试样所产生的原子蒸汽中对其对其的吸收,从而定量测定化学元素的方法。的吸收,从而定量测定化学元素的方法。测定过程:测定过程:光源光源原子化器原子化器单色器单色器检出系统检出系统共振线吸收线共振线吸收线: :电子从基态跃迁到能量最低的激发态为共振跃迁电子从基态跃迁到能量最低
2、的激发态为共振跃迁, ,所产生的谱线所产生的谱线共振线发射线共振线发射线当电子从第一激发态跃会基态时当电子从第一激发态跃会基态时, ,则发射出同则发射出同样频率的谱线样频率的谱线特征谱线特征谱线各种元素的原子结构和外层电子排步不同各种元素的原子结构和外层电子排步不同, ,不同元素的原不同元素的原子从基态子从基态 第一激发态时第一激发态时, ,吸收和发射的能量不同吸收和发射的能量不同, ,其共其共振线不同振线不同, ,各有其特征性各有其特征性. .原子吸收法的定量基础原子吸收法的定量基础: :原子吸收服从朗伯定律:原子吸收服从朗伯定律:若将入射强度为若将入射强度为I I0 0的不同频率的光通过原
3、子蒸汽,的不同频率的光通过原子蒸汽,吸收后其透过光的强度吸收后其透过光的强度I Iv v与原子蒸汽的厚度与原子蒸汽的厚度b b的关系,的关系,服从朗伯定律。服从朗伯定律。bI0Iv原子蒸汽原子蒸汽 由于物质对不同频率的入射光的吸收具有选择性,因而透过由于物质对不同频率的入射光的吸收具有选择性,因而透过光的强度光的强度I Iv v和吸收系数和吸收系数K Kv v将随着入射光的频率而变化。将随着入射光的频率而变化。v-K bv0I = I eI Iv v的变化规律的变化规律K Kv v的变化规律的变化规律原子蒸汽在原子蒸汽在v v0 0原子蒸汽在原子蒸汽在v0频率处有吸收频率处有吸收 中心频率(波
4、长)中心频率(波长)- 最大吸收系数最大吸收系数所对应的频率(波长)所对应的频率(波长) 吸收轮廓(半宽度吸收轮廓(半宽度 )- 吸收系数吸收系数一半所对应的频率(波长)一半所对应的频率(波长) I0I 0 I 与与 的关系的关系脱溶剂脱溶剂离解离解激发激发燃气燃气助燃气助燃气试试样样预混合室预混合室燃烧器燃烧器废液排放口雾化器雾化器电子顺磁共振及其生物学电子顺磁共振及其生物学中的应用中的应用电子顺磁共振(电子顺磁共振(Electron ParamagneticResonance 简称简称EPR)处于两能级间的电子发生受处于两能级间的电子发生受激跃迁,导致部分处于低激跃迁,导致部分处于低能级中
5、的电子吸收电磁波能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中的能量跃迁到高能级中-电子顺磁共振现电子顺磁共振现象。象。BgB电子顺磁共振波谱仪电子顺磁共振波谱仪在实际应用中,谁磁性原子当中的电子常会受到临近原在实际应用中,谁磁性原子当中的电子常会受到临近原子的影响,这时,在同一磁场下,原子的能级分裂的宽子的影响,这时,在同一磁场下,原子的能级分裂的宽度可能是不等间隔的,由于每一个能级会产生一个共振度可能是不等间隔的,由于每一个能级会产生一个共振峰,因此,调节峰,因此,调节B会产生不同的共振峰。出现多个共振峰会产生不同的共振峰。出现多个共振峰成为波谱的精细结构,显然,根据共振普可以探知顺磁成为波谱
6、的精细结构,显然,根据共振普可以探知顺磁性原子的能级结构以及受环境因子的影响。性原子的能级结构以及受环境因子的影响。一般说来,共振峰下的面积有能够产生共振的物质所决一般说来,共振峰下的面积有能够产生共振的物质所决定,据此,如果利用含有已知浓度的摩物质的共振峰作定,据此,如果利用含有已知浓度的摩物质的共振峰作为标准,就可以根据共振峰面积的大小来估测物质的浓为标准,就可以根据共振峰面积的大小来估测物质的浓度。度。对于生物体中的铜和非血铁红素,它们在可见和紫外区对于生物体中的铜和非血铁红素,它们在可见和紫外区不吸收辐射,但其氧化态却能产生不吸收辐射,但其氧化态却能产生EPR,因此利用这些,因此利用这
7、些EPR信号的出现与否可以检查和诊断癌症。信号的出现与否可以检查和诊断癌症。 顺磁共振是研究具有未成对电子的物质,如配合物顺磁共振是研究具有未成对电子的物质,如配合物. .自自由基和含有奇数电子的分子等顺磁性物质结构的一种重要方由基和含有奇数电子的分子等顺磁性物质结构的一种重要方法,它又称为电子顺磁共振(法,它又称为电子顺磁共振(EPREPR)或电子自旋共振(或电子自旋共振(ESRESR)。电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩s s在磁场方向的分量在磁场方向的分量szsz为为 式中式中g为电子自旋因子,为电子自旋因子,m s为自旋磁量子数,取值为为自旋磁量子数,取值为 1/2,e为玻尔磁子。为玻尔磁子
8、。 顺磁共振吸收频率顺磁共振吸收频率和磁感应强度和磁感应强度B的关系为:的关系为: SZSegm 1/ 2,1/ 2/ 21/ 2,1/ 2/ 2sesemEgBmEgB ehgB 若顺磁共振仪选用若顺磁共振仪选用B B=0.34T=0.34T,对于对于g=2g=2的物质,顺磁的物质,顺磁共振吸收频率为:共振吸收频率为:测定自由基的浓度测定自由基的浓度测定未成对电子所处的状态和环境测定未成对电子所处的状态和环境测定测定g g值,了解配合物的电子组态值,了解配合物的电子组态顺磁共振法应用顺磁共振法应用: :99.527 10 Hz原子和原子核的大小:原子和原子核的大小: 卢瑟福原子模型(核式结构
9、模型)卢瑟福原子模型(核式结构模型)在原子的中心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部在原子的中心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕核旋转,原子的核式结构学说可完满解释在核外空间里绕核旋转,原子的核式结构学说可完满解释粒子散射实验。粒子散射实验。 原子核大小约原子核大小约m原子核的结构原子核的结构6.3 核磁共振核磁共振15141010原子的核式结构的发现:原子的核式结构的发现:电子的发现:电子的发现:汤姆生发现电子,电子是原子的组成部分汤姆生发现电子,电子是原子的组成部分 汤
10、姆生原子模型:(枣糕模型)汤姆生原子模型:(枣糕模型) 原子是一个球体,正电荷均匀分布,电子象枣糕的枣子嵌在原子是一个球体,正电荷均匀分布,电子象枣糕的枣子嵌在原子里原子里 粒子散射实验粒子散射实验: 绝大多数的绝大多数的粒子不发生偏转;粒子不发生偏转;少数少数粒子发生了较大偏转;粒子发生了较大偏转;极少数极少数粒子出现大角度的偏转。(甚至被反弹回来)实粒子出现大角度的偏转。(甚至被反弹回来)实验结果与汤姆生模型推出来的结果根本不符合验结果与汤姆生模型推出来的结果根本不符合 玻尔的原子模型、能级:玻尔的原子模型、能级: 原子发生定态跃迁时,要辐射(或吸收)一定频率的光子。原子发生定态跃迁时,要
11、辐射(或吸收)一定频率的光子。即即 原子的能量状态量子化和对应的可能轨道分布量子原子的能量状态量子化和对应的可能轨道分布量子化。即化。即 原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽绕核运动,但并不向外状态中原子是稳定的,电子虽绕核运动,但并不向外辐射能量,这些状态称为定态。辐射能量,这些状态称为定态。(n=1,2,3) 其中 hvEE初末2112,nnErn r En10110.53 10,13.6rm Eev 能级能级能级的概念:原子的各个定态的能量值叫做它的能级能级的概念:原子的各个定态的能量值叫做它的能级。能级的跃迁
12、能级的跃迁原子处于基态时稳定,处于激发态时不稳定,总有跃迁到基原子处于基态时稳定,处于激发态时不稳定,总有跃迁到基态的趋势。原子从末能级跃迁到另一能级的过程叫能级的跃态的趋势。原子从末能级跃迁到另一能级的过程叫能级的跃迁迁。从较低能级跃迁到较高的能级是吸收能量的过程;从较低能级跃迁到较高的能级是吸收能量的过程;从较高的激发态向较低的能给跃迁是辐射能量的过程。从较高的激发态向较低的能给跃迁是辐射能量的过程。这个能量以光子的形式辐射出去这就是原子发光现象这个能量以光子的形式辐射出去这就是原子发光现象。衰变衰变 衰变:衰变:衰变:衰变:衰变:衰变:原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变原子
13、核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变 注意:衰变方程中两边的质量数和电荷数都守恒。注意:衰变方程中两边的质量数和电荷数都守恒。半衰期半衰期放射性元素的原子核有半数发生了衰变需要的时间放射性元素的原子核有半数发生了衰变需要的时间T叫半衰期叫半衰期 4422AAZZXYHe011AAZZXYe011AAZZXYe原子核的人工转变原子核的人工转变 用人工的方法使原子核发生变化的过程称为原子核的人工转变用人工的方法使原子核发生变化的过程称为原子核的人工转变 质子的发现质子的发现 卢瑟福卢瑟福用用粒子轰击氮,获得氧和质子,核反应方程为:粒子轰击氮,获得氧和质子,核反应方程为: 中子的发现中子的发
14、现 查德威克用查德威克用粒子轰击铍,得到中子射线,核反应方程为:粒子轰击铍,得到中子射线,核反应方程为: 1441717281NHeOH941214260BeHeCn核能核能核力和核能核力和核能由于核子之间存在核力,所以原子核分裂成核子需要吸收由于核子之间存在核力,所以原子核分裂成核子需要吸收能量,而核子结合成原子核需要放出能量,能量,而核子结合成原子核需要放出能量,这叫原子的结合能,称为核能。这叫原子的结合能,称为核能。质量亏损质量亏损 mm1m2组成原子核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反组成原子核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫
15、质量应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损亏损;原子核的质量亏损并不破坏质量守恒定律,光子具有原子核的质量亏损并不破坏质量守恒定律,光子具有动质量,与损失的质量相当。动质量,与损失的质量相当。爱因斯坦质能方程爱因斯坦质能方程核能的计算核能的计算爱因斯坦以相对论中得出了质量和能量之间有如下关系:爱因斯坦以相对论中得出了质量和能量之间有如下关系:(E能量,能量,m质量,质量,c光速)光速)这方程表明了:物体的质量跟它的能量有一定的联系即物这方程表明了:物体的质量跟它的能量有一定的联系即物体具有的能量与它的质量存在着简单的正比关系。体具有的能量与它的质量存在着简单的正比关系。核子结合
16、成原子核时出现了质量亏损核子结合成原子核时出现了质量亏损(m),正表明它们在,正表明它们在互相结合过程中放出了能量互相结合过程中放出了能量(E)。E与与m之间的关系也之间的关系也符合质能方程:符合质能方程:Emc2当当m1u时时E931.5Mev 记作记作1u931.5Mev。表示。表示1u的质量的质量(1.661027kg)与与931.5Mev的能量相联系。的能量相联系。 重核的裂变:重核的裂变:中子轰击重原子核分裂成中等质量的核,这种核反应叫中子轰击重原子核分裂成中等质量的核,这种核反应叫裂变。裂变。2Emc 链式反应链式反应 发生裂变放出中子,如果这些中子使裂变反应不断地进行发生裂变放出
17、中子,如果这些中子使裂变反应不断地进行下去,这种反应叫链式反应。下去,这种反应叫链式反应。 轻核的聚变轻核的聚变轻核结合成质量较大的核叫做聚变。核反应方程为:轻核结合成质量较大的核叫做聚变。核反应方程为:轻核聚变的条件轻核聚变的条件 距离在距离在10-15米,即在核力的作用范围内,利用原子弹引米,即在核力的作用范围内,利用原子弹引起热核反应(氢弹就是这样制造的)从而实现轻核的聚起热核反应(氢弹就是这样制造的)从而实现轻核的聚变。变。23411120HHHen 核自旋由核自旋量子数核自旋由核自旋量子数I I及核自旋磁量子数及核自旋磁量子数mI描述描述. . 核自旋角动量大小(核自旋角动量大小(M
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