Organic Chemistry I

Fig. 6.5b
).
Figure 6.5b Orientations of magnetic moments of protons without and with external magnetic field
The
α
spin state is slightly lower in energy than the
β
state, and the energy gap between them, ΔE, depends upon
the strength of B
0
: a stronger applied external magnetic field results in a larger ΔE. For a large population of organic
molecules in an external magnetic field, slightly
more
than half of the protons will occupy the lower energy
α
spin state,
while slightly
less
than half will occupy the higher energy
β
spin state. It is this population difference between the two
spin states that is exploited by NMR, and the difference increases with the strength of the applied magnetic field B
0
.
Energy is required to excite the proton from the lower energy state (
α
spin state) to the higher energy state (
β
spin
state). In an NMR spectrometer the energy is supplied by electromagnetic radiation in the radio frequency (RF) region.
When a proton in an external magnetic field is exposed to RF radiation with the energy that matches the energy gap ΔE,
the energy of the RF is absorbed and the proton will flip its magnetic moment from the lower energy state (
α
spin state)
to the higher energy state (
β
spin state), the nuclei are said to be in
resonance
with the electromagnetic radiation.
Figure 6.5c Resonance
The frequency of radiation absorbed by a proton (or any other nucleus) during a spin transition in the NMR experiment
is called its
resonance frequency,
ν
. As a result, the resonance frequency also depends on B
0
, the larger
B0
the higher
resonance frequency, and the relationship fits to the specific formula: (
Formula 6.4
is for your information purpose only)
6.5 NMR Theory and Experiment | 205

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γ
is the magnetogyric (or gyromagnetic) ratio, different nucleus has different value of
γ
. For a proton, the
γ
value is 26.753
rad · s
-1
· tesla
-1
.
Calculations indicate that if external magnetic field B
0
≅
1.41 Tesla, the energy difference corresponds to RF with the
frequency of 60×10
6
Hz (60 MHz) for proton; when B
0
≅
7.04 Tesla, the corresponding RF frequency is 300×10
6
Hz (300
MHz) for proton. This frequency is the most important parameter for a NMR spectrometer (the instrument that run
NMR experiments), the higher the frequency, the more sensitive the instrument and the higher resolution the resulting
NMR spectrum is.