2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核磁共振技術(shù)在物質(zhì)分析中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)前的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種原子核具有核自旋量子數(shù)I=1/2？(A)氫核（1H）(B)碳-13核（13C）(C)氮-14核（1?N）(D)氧-17核（1?O）2.在恒定磁場(chǎng)B0中，處于基態(tài)的核自旋量子數(shù)為1/2的原子核，其磁矩最有可能的狀態(tài)是：(A)與B0平行(B)與B0反平行(C)與B0成45°角(D)以B0方向?yàn)檩S進(jìn)動(dòng)3.拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率僅取決于：(A)核磁子磁矩(B)原子核種類（自旋量子數(shù)I）(C)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度B0(D)樣品的化學(xué)環(huán)境4.化學(xué)位移主要反映了：(A)核自旋量子數(shù)的大小(B)核磁子磁矩的強(qiáng)度(C)原子核與周圍電子云的相互作用強(qiáng)度(D)自旋-自旋耦合的強(qiáng)度5.在400MHz的NMR波譜儀上，化學(xué)位移為10ppm的信號(hào)，其拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率與化學(xué)位移為100ppm的信號(hào)相比，是：(A)高10倍(B)低10倍(C)相同(D)無法比較6.對(duì)于一對(duì)等價(jià)且化學(xué)環(huán)境相同的質(zhì)子，它們之間發(fā)生自旋-自旋耦合時(shí)，在1HNMR譜上會(huì)觀察到：(A)單一峰(B)雙重峰(C)三重峰(D)四重峰7.在1HNMR譜中，一個(gè)質(zhì)子信號(hào)被分裂成三重峰，其耦合常數(shù)（J值）為7Hz。這意味著與該質(zhì)子發(fā)生耦合的質(zhì)子數(shù)量為：(A)1(B)2(C)3(D)48.下列哪種情況下，核自旋系統(tǒng)與周圍環(huán)境交換能量最快？(A)T1弛豫過程(B)T2弛豫過程(C)自旋-自旋相互作用(D)化學(xué)位移9.傅里葉變換核磁共振（FT-NMR）技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：(A)能產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)能同時(shí)獲得所有頻率的信號(hào)(C)能顯著提高信噪比和分辨率(D)能直接進(jìn)行二維譜圖分析10.在有機(jī)物結(jié)構(gòu)鑒定中，13CNMR譜通常比1HNMR譜更容易解析，主要是因?yàn)椋?A)13C的靈敏度比1H高(B)13CNMR譜通常只有一小部分質(zhì)子發(fā)生耦合(C)13CNMR儀器的價(jià)格更便宜(D)13C的自旋量子數(shù)更小二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.核磁共振現(xiàn)象的本質(zhì)是置于外磁場(chǎng)中的自旋核磁矩發(fā)生________現(xiàn)象。2.當(dāng)核磁矩與外磁場(chǎng)平行時(shí)，其能量狀態(tài)較低；當(dāng)核磁矩與外磁場(chǎng)反平行時(shí)，其能量狀態(tài)較高。這種現(xiàn)象稱為________。3.在1HNMR譜中，化學(xué)位移的單位是________，通常用________表示。4.自旋量子數(shù)為I的核，其自旋角動(dòng)量在磁場(chǎng)方向上的分量可以取I/2,-I/2,...,-I個(gè)單位，共有________種取向。5.T1弛豫描述的是自旋系統(tǒng)通過________途徑，將能量傳遞給環(huán)境，恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)的過程。6.若一個(gè)碳原子連接著三個(gè)不同環(huán)境的氫原子，則其1HNMR信號(hào)將受到________個(gè)不等效氫原子的偶合，分裂成________重峰。7.在NMR實(shí)驗(yàn)中，為了補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的干擾，通常采用________技術(shù)。8.傅里葉變換NMR實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過射頻脈沖激發(fā)后，采集到的是一系列隨時(shí)間衰減的________信號(hào)。9.在生物大分子NMR研究中，通常使用高場(chǎng)強(qiáng)NMR儀（如800MHz或900MHz），其主要目的是為了獲得________的譜圖，從而解析更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。10.與質(zhì)子（1H）相比，碳-13核（13C）的NMR信號(hào)靈敏度低約________倍。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述核自旋量子數(shù)I的物理意義。對(duì)于自旋量子數(shù)I=1/2和I=1的核，它們?cè)贜MR實(shí)驗(yàn)中的行為有何主要區(qū)別？2.什么是化學(xué)位移？影響1HNMR化學(xué)位移的主要因素有哪些？請(qǐng)列舉至少三種。3.簡(jiǎn)要解釋T1弛豫和T2弛豫的物理過程，并說明它們對(duì)NMR信號(hào)強(qiáng)度和線寬的影響。四、計(jì)算題（每小題6分，共12分。請(qǐng)列出計(jì)算步驟，最后得出結(jié)果）1.某核磁共振譜儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度B0=14.1T。計(jì)算質(zhì)子（1H，gyromagneticratioγH≈26.75×10?radT?1s?1）在該磁場(chǎng)中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率。2.某有機(jī)分子的1HNMR譜顯示，分子中存在兩種化學(xué)環(huán)境不同的氫原子。一種化學(xué)環(huán)境的氫信號(hào)在δ=1.2ppm處，積分面積為3；另一種化學(xué)環(huán)境的氫信號(hào)在δ=4.5ppm處，積分面積為2。請(qǐng)計(jì)算該分子中這兩種氫原子的數(shù)量比。五、論述題（10分。請(qǐng)結(jié)合實(shí)例，論述核磁共振波譜學(xué)在復(fù)雜有機(jī)分子結(jié)構(gòu)解析中的作用。）試卷答案一、選擇題1.(A)2.(B)3.(C)4.(C)5.(C)6.(B)7.(B)8.(A)9.(C)10.(B)二、填空題1.拉莫爾進(jìn)動(dòng)2.能量分裂3.百分頻率，ppm4.2I+15.自旋-晶格6.三，四7.鎖場(chǎng)8.自由感應(yīng)衰減，F(xiàn)ID9.更高分辨率10.65三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先定義核自旋量子數(shù)I，它決定核的角動(dòng)量大小和磁矩取向的數(shù)量。I=1/2的核（如1H）只有兩種取向，產(chǎn)生兩種能級(jí)，易發(fā)生NMR共振；I=1的核（如13C）有四種取向，產(chǎn)生四種能級(jí)，共振頻率較低，且信號(hào)易受偶合裂分影響，表現(xiàn)為多峰。I值越大，能級(jí)數(shù)越多，共振信號(hào)越復(fù)雜。2.解析思路：化學(xué)位移指同一核種在不同化學(xué)環(huán)境中的原子核，其共振頻率相對(duì)參考頻率（通常為TMS）的偏差，用ppm表示。它反映了原子核周圍的局部電子云密度和磁場(chǎng)環(huán)境的不同。主要影響因素包括：①電負(fù)性效應(yīng)（鄰近電負(fù)原子吸引電子云）；②氫鍵（影響電子環(huán)境）；③雜原子效應(yīng)（如氧、氮、鹵素）；④環(huán)張力和立體化學(xué)效應(yīng)。3.解析思路：T1弛豫是自旋系統(tǒng)通過自旋-晶格相互作用，將RF脈沖吸收的能量或失相的信號(hào)重新傳遞給環(huán)境（晶格），恢復(fù)到宏觀熱平衡狀態(tài)的過程，表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度的恢復(fù)。T2弛豫是自旋系統(tǒng)內(nèi)部自旋-自旋相互作用導(dǎo)致失相過程，信號(hào)幅度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減的過程。T1弛豫恢復(fù)信號(hào)強(qiáng)度，不改變線寬；T2弛豫導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減，同時(shí)線寬變寬。四、計(jì)算題1.解析思路：根據(jù)拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率公式f=γHB0/(2π)。已知B0=14.1T，γH=26.75×10?radT?1s?1。代入計(jì)算即可。結(jié)果：f=(26.75×10?radT?1s?1×14.1T)/(2π)≈601.2MHz2.解析思路：譜圖積分代表相應(yīng)化學(xué)位移處氫原子的數(shù)量（摩爾比）。信號(hào)1積分面積3，對(duì)應(yīng)氫原子數(shù)量3；信號(hào)2積分面積2，對(duì)應(yīng)氫原子數(shù)量2。數(shù)量比即3:2。結(jié)果：氫原子數(shù)量比為3:2五、論述題解析思路：NMR在結(jié)構(gòu)解析中作用體現(xiàn)在：①提供分子骨架信息：1H譜確定氫環(huán)境數(shù)、類型及比例；13C譜確定碳骨架類型