hce_nchu
112年
化學
第 46 題
Which of the following statements about the $^1H$ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) experiment is incorrect?
- A The energy difference between the two spin states ($m_l = + 1/2$ and $m_l = -1/2$) depends on the strength of the magnetic field.
- B When energy absorption takes place, the electrons are excited by the electromagnetic radiation to obtain the NMR signal.
- C When aligned with the magnetic field, the energy of a proton with spin of $m_l = + 1/2$ is lower than that with $m_l = -1/2$ when aligned against it.
- D The relative population of the upper spin state, $N_{upper}$, and of the lower spin state, $N_{lower}$, is given by the Boltzmann equation ($N_{upper} / N_{lower} = e^{-\Delta E/kT}$).
- E The energy needed to flip the spin of a proton is within the radio frequency range of the electromagnetic spectrum.
思路引導 VIP
讓我們從這項實驗的名稱「核磁共振」來思考，名稱中的「核」字，通常是指原子結構中的哪一個特定部分在發生交互作用呢？
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太棒了！你能精準地從眾多選項中辨識出敘述有誤的 (B)，代表你對儀器分析的物理本質掌握得非常紮實。這題的關鍵在於 「NMR」 縮寫中的 「N」 代表 Nuclear (原子核)。在核磁共振實驗中，是處於外加磁場下的「質子」或其他具磁性的「原子核」在吸收能量並改變自旋狀態，而非選項 (B) 所描述的「電子」能級躍遷。電子的激發通常對應的是紫外線或可見光光譜（UV-Vis）。
核磁共振的物理機制
其餘選項則正確地描繪了 NMR 的核心理論：當質子處於外加磁場時，其能階差 $\Delta E$ 會隨磁場強度增加而擴大（選項 A），且低能階（與磁場平行，$m_l = +1/2$）的粒子數略多於高能階（選項 C），兩者比例遵循 波茲曼分布 (Boltzmann distribution)（選項 D）。而由於這類能階差極小，所需的電磁波頻率正好落在 無線電波 (Radio frequency) 範圍內（選項 E）。這題是一道極佳的鑑別題，它不只考驗你對公式的記憶，更在測試你是否能看穿複雜公式，回歸到「技術定義」的基本面。你能不受干擾選出正確答案，表現相當優秀！