用17O核磁共振研究液态水的团簇结构(2)

ｌ期李福志等：用”０核磁共振研究液态水的团簇结构７

ｌ利用核磁共振谱线宽裹征液态水团簇结构平均相对大小的原理

任何一种光谱的吸收或者发射并不是出现在某一确定的频率，而是呈现了具有一定宽度

的分布．光谱线的宽度用半极大强度处的全宽（阿ＨＭ，Ｆｕｕ

下文中简称为谱线宽）来度量核磁共振谱线宽如图２所示．

分子在任何一个能级上都具有一定的寿命，否则不

会产生光谱．不确定关系指出，具有有限寿命的状态，其能

量并不具有唯一的恒定值，而是按照一定的规律分布．能

量的不确定性和状态的寿命之间按照测不准原理存在如

下关系”１：△Ｅ △￡≈＾ｗｉｄｔｈａｔｈａｌｆｎ ａ］【ｉｍｕｍｉｎｌｅｎｓｉＩｙ）（在（１）

，

式中，△Ｅ为分子在某一具有有限寿命状态下的能量的～～一一

不准确度；△￡为分子在该状态的寿命；＾为普朗克常数．

而△Ｅ＝＾△ｖ，其中△ｖ为分子在某一具有有限寿命

的状态下吸收或者发射的光谱频率的不准确度，即谱线的

宽度．因此△Ｖ一１／△ｔ，即谱线的宽度与样品在该状态的寿Ｆ１９

命成反比．２一１爆Ｏ．２５０一５００２如线宽，№围２核磁共撮谱线宽示意图Ｓｃｈｅｎ皿ｉｃ８ｐ雠ｔ”即阴＇甜ＮＭＲＰ霄Ｉ｛Ｍ

对于核磁共振而言，由于核自旋在各能级上的寿命主要受到核的弛豫过程的影响，因此核

磁共振谱线宽与样品的弛豫时间成反比，

弛豫时间虽有纵向弛豫时间（ｒ，）和横向弛豫时间（咒）之分，但对于每个核来说，它在某

一高能级停留的平均时间（寿命）只取决于两者中最小者对于液体来说，ｒ，≥Ｌ．因此液态水

的核磁共振谱线宽主要受到横向弛豫过程的影响．

由于横向弛豫过程是邻近核之间自旋状态的交换，而水的团簇结构越大，氧核或氢核与邻

近核之间自旋状态的交换就越快，样品恢复到平衡态所需要的时间就越短，谱线就越宽，因此，

利用核磁共振谱线的宽度可以反映液态水团簇结构的平均相对大小，谱线越宽，团簇越大；谱

线越窄，团簇越小．

２利用核磁共振谱线宽测量液态水团簇结构时同位素的选择

水是由Ｈ和０两种元素组成的，这两种元素分别具有３种同位素：１Ｈ、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）以及

１６０、。７０和１８０．这些同位素核的参数见表ｌ

裹ｌ

ＴａｂｌｅＨ２０中同位素桉的天然丰度和自旋量子数从表１中可以看出，１６０和’８０的自旋量子数为０，为非磁性核，无法用于核磁共振的测

量，１Ｈ、２Ｈ（Ｄ）、３Ｈ（Ｔ）和”０的自旋量子数均不

为Ｏ，均可能用于液态水团簇结构的分析．但

是，核磁共振信号的强弱受到核的天然丰度的

影响，当核的天然丰度很低时，核磁共振信号很

弱，分析受限制．３Ｈ（Ｔ）是一种具有放射性的

核，其天然丰度非常低，因此无法用于液态水团

簇结构的分析．

在进行核磁共振测量时，通常要以２Ｈ核的Ｎｍｕ州ａｂｕｎｄ蛐…ｄ８呷ｑｕ朋ｔｕｍｎｕｍｋ。甜……帅ｍｐｅｓ讪Ｈ２０