激光拉曼光譜試驗

1、拉曼散射是印度科學家 Raman在 1928年發(fā)現(xiàn)的，拉曼光譜因之得名。 光和媒質分子相互作用時 引起每個分子作受迫振動從而產(chǎn)生散射光，散射光的頻率一般和入射光的頻率相同，這種散射叫做 瑞利散射，由英國科學家瑞利于 1899年進行了研究。但當拉曼在他的實驗室里用一個大透鏡將太陽 光聚焦到一瓶苯的溶液中，經(jīng)過濾光的陽光呈藍色，但是當光束進入溶液之后，除了入射的藍光之 外，拉曼還觀察到了很微弱的綠光。拉曼認為這是光與分子相互作用而產(chǎn)生的一種新頻率的光譜帶。因這一重大發(fā)現(xiàn)，拉曼于 1930年獲諾貝爾獎。激光拉曼光譜是激光光譜學中的一個重要分支，應用十分廣泛。如在化學方面應用于有機和無 機分析化學、生

2、物化學、石油化工、高分子化學、催化和環(huán)境科學、分子鑒定、分子結構等研究； 在物理學方面應用于開展新型激光器、產(chǎn)生超短脈沖、分子瞬態(tài)壽命研究等，此外在相干時間、固 體能譜方面也有廣泛的應用。實驗目的：1、掌握拉曼光譜儀的原理和使用方法；2、測四氯化碳的拉曼光譜，計算拉曼頻移。實驗重點：拉曼現(xiàn)象的產(chǎn)生原理及拉曼頻移的計算實驗難點：光路的調節(jié)實驗原理：儀器結構及原理1、儀器的結構LRS-II激光拉曼/熒光光譜儀的總體結構如圖12-4-1所示。2、單色儀圖4-1劇曼債光光僅的站購水Jt圖»1 12-4-2 出揑苗梅餡#親團單色儀的光學結構如圖 12-4-2所示。S為入射狹縫，M為準直鏡，G為

3、平面衍射光柵，衍射光 束經(jīng)成像物鏡 M會聚，經(jīng)平面鏡 M反射直接照射到出射狹縫S上，在S2外側有一光電倍增管 PMT當光譜儀的光柵轉動時，光譜信號通過光電倍增管轉換成相應的電脈沖，并由光子計數(shù)器放大、計 數(shù)，進入計算機處理，在顯示器的熒光屏上得到光譜的分布曲線。3、激光器本實驗采用50mW半導體激光器，該激光器輸出的激光為偏振光。其操作步驟參照半導體激光器說明書。4、外光路系統(tǒng)外光路系統(tǒng)主要由激發(fā)光源半導體激光器、五 維可調樣品支架 S、偏振組件Pl和P2以及聚光透鏡 C 和C2等組成見圖12-4-3 。激光器射出的激光束被 反射鏡R反向后，照射到樣品上。為了得到較強的激 發(fā)光，采用一聚光鏡

4、C使激光聚焦，使在樣品容器的 中央部位形成激光的束腰。為了增強效果，在容器的 另一側放一凹面反射鏡 M。凹面鏡M可使樣品在該側 的散射光返回，最后由聚光鏡C2把散射光會聚到單色儀的入射狹縫上。調節(jié)好外光路是獲得拉曼光譜的關鍵，首先應使外光路與單色儀的內光路共軸。一般情況下， 它們都已調好并被固定在一個鋼性臺架上?？烧{的主要是激光照射在樣品上的束腰，束腰應恰好被 成像在單色儀的狹縫上。是否處于最正確成像位置，可通過單色儀掃描出的某條拉曼譜線的強弱來判 斷。5、信號處理局部：光電倍增管將光信號變成電信號并進行信號放大，最后送入電腦顯示系統(tǒng)，在電腦上顯示出拉 曼光譜。拉曼光譜的特性:頻率為u的單色光

5、入射到透明的氣體、液體或固體材料上而產(chǎn)生光散射時，散射光中除了存在 入射光頻率u外，還觀察到頻率為uu的新成分，這種頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象就被稱為拉曼效應。u即為瑞利散射，頻率 u + u稱為拉曼散射的斯托克斯線，頻率為u - u的稱為反斯托克斯線。 u通常稱為拉曼頻移，多用散射光波長的倒數(shù)表示，計算公式為A 1 17.14.1 / . / . 0式中，入和入°分別為散射光和入射光的波長。 u的單位為cm1。拉曼譜線的頻率雖然隨著入射光頻率而變化，但拉曼光的頻率和瑞利散射光的頻率之差卻不隨 入射光頻率而變化，而與樣品分子的振動轉動能級有關。拉曼譜線的強度與入射光的強度和樣品分 子的濃度成

6、正比：=0SkNHL4二 sin2： /2式中 $ k在垂直入射光束方向上通過聚焦鏡所收集的喇曼散射光的通量W0。一入射光照射到樣品上的光通量W;S拉曼散射系數(shù)，約等于10型10%mol/sr ;N單位體積內的分子數(shù)；H樣品的有效體積；L考慮折射率和樣品內場效應等因素影響的系數(shù)；:拉曼光束在聚焦透鏡方向上的半角度。利用拉曼效應及拉曼散射光與樣品分子的上述關系，可對物質分子的結構和濃度進行分析和研 究。拉曼散射原理樣品分子被入射光照射時，光電場使分子中的電荷分布周期性變化，產(chǎn)生一個交變的分子偶極 矩。偶極矩隨時間變化二次輻射電磁波即形成光散射現(xiàn)象。單位體積內分子偶極矩的矢量和稱為分 子的極化強度

7、，用 P表示。極化強度正比于入射電場P = : E( ):-被稱為分子極化率。在一級近似中:-被認為是一個常數(shù)，那么 P和E的方向相同。設入射光為頻率U的單色光，其電場強度E=Ecos2n U t，貝yP = : E0cos2 vt(7.14.3 )如果認為分子極化率:-由于各原子間的振動而與振動有關，那么它應由兩局部組成：一局部是一個常 數(shù)0,另一局部是以各種簡正頻率為代表的分子振動對:奉獻的總和，這些簡正頻率的奉獻應隨時間做周期性變化，所以:=：0 亠二:n COS2二Vnt( 7.14.4 )式中，n表示第n個簡正振動頻率，可以是分子的振動頻率或轉動頻率，也可以是晶體中晶格的振動頻率或固

8、體中聲子散射頻率。因此P = E0-：0 cos2二vt E0 二 n cos2二vt cos2 vnt1 (7.14.5 )=E0 二 0cos2 二 vtE0 二 ncos 2二(v - vn )t cos2 二(v vn)t2上式第一項產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率U ,因而是瑞利散射；第二項為包含有分子各振動頻率信息U n在內的散射，其散射頻率分別為(U - U n )和(U +u n)，前者為斯托克斯拉曼線，后者為反斯托克斯拉曼線。式(7.14.5 )是用一般的電磁學方法解釋拉曼散射頻率的產(chǎn)生的，但并不能給出拉曼譜線的強 度。能給出拉曼強度的分子被稱為具有拉曼活性，但并不是任何分子

9、都具有拉曼活性，例如，具有 中心對稱的分子就不是拉曼活性的，但卻是紅外活性的。因此，對拉曼散射的精確解釋應該用量子 力學。依據(jù)量子力學，分子的狀態(tài)用波函數(shù)表示，分子的能量為一些不連續(xù)的能級。入射光與分子 相互作用，使分子的一個或多個振動模式激發(fā)而產(chǎn)生振動能級間的躍遷，這一過程實際上是一個能 量的吸收和再輻射過程，只不過在散射中這兩個過程幾乎是同時發(fā)生的。再輻射(散射光)如圖所示，可能有三種結果，分別對應斯托克斯線(圖 7.14.2(a)、反斯托克斯線(圖 7.14.2( b)和瑞利線(圖7.14.2(c)。實驗步驟：(請根據(jù)你的實際操作過程，充實補充下面的實驗步驟，包括軟件的操作詳細過程)1、

10、將四氯化碳倒入液體池內，調整好外光路，注意將雜散光的成像對準單色儀的入射狹縫上， 并將狹縫開至0.1mm左右；2、啟動LRS-II/III 應用軟件；3、輸入激光的波長；4、掃描數(shù)據(jù)；5、采集信息；6、測量數(shù)據(jù)；7、讀取數(shù)據(jù)；8、尋峰；9、修正波長；10、計算拉曼頻移。 實驗數(shù)據(jù)：=532.6 nm= 519.9 nm2 = 523.7nm 3 = 526.3nm4 =538.8nm5 =541.6 nm6 =545.7nm數(shù)據(jù)處理：11111八1二 -458cmk-1532.6 nm519.5 nm二 21111=-319cm 亠扎'2532.6nm523.7 nm二 311111-224cm扎'3532.6 nm526.3nm二 41111-1=216cm'4532.6nm538.8nm丄 '- 51111二 312cm為532.6nm541.6 nm丄6_ 1111=450cm 4'6532.6n