物理實驗實驗報告_第1頁
物理實驗實驗報告_第2頁
物理實驗實驗報告_第3頁
物理實驗實驗報告_第4頁
物理實驗實驗報告_第5頁
已閱讀5頁,還剩24頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

-.z.物理仿真實驗——拉曼光譜實驗?zāi)康模?.拍攝拉曼光譜并觀察;2.學(xué)會推測出分子拉曼光譜的根本概貌,如譜線數(shù)目、大致位置、偏振性質(zhì)和它們的相對強(qiáng)度;3.從實驗上確切知道譜線的數(shù)目和每條線的波數(shù)、強(qiáng)度及其應(yīng)對應(yīng)的振動方式。4.以上兩個方面工作的結(jié)合和比照,利用拉曼光譜獲得有關(guān)分子的構(gòu)造和對稱性的信息。二、實驗原理〔1〕拉曼效應(yīng)和拉曼光譜:當(dāng)光照射到物質(zhì)上時會發(fā)生非彈性散射,散射光中除有與激發(fā)光波長一樣的彈性成分〔瑞利散射〕外,還有比激發(fā)光波長長的和短的成分,后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。由分子振動、固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為拉曼散射,一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。〔2〕拉曼光譜根本原理:設(shè)散射物分子原來處于基電子態(tài),振動能級如以下圖所示。當(dāng)受到入射光照射時,激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收,表述為電子躍遷到虛態(tài),虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發(fā)光,即為散射光。設(shè)仍回到初始的電子態(tài),則有如下圖的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率一樣的譜線,也有與入射光頻率不同的譜線,前者稱為瑞利線,后者稱為拉曼線。在拉曼線中,又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線,而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。瑞利線與拉曼線的波數(shù)差稱為拉曼位移,因此拉曼位移是分子振動能級的直接量度。以下圖給出的是一個拉曼光譜的示意圖。〔3〕拉曼效應(yīng)的經(jīng)典電磁解釋:如分子,在激發(fā)光的交變場作用下發(fā)生感生極化,也就是正負(fù)電中心從相合變?yōu)橄嚯x,成為電偶極子。這感生電偶極子是隨激發(fā)場而交變的,因此它也就是成了輻射體。簡單的與激光同步的發(fā)射,就成為瑞利散射。然而分子本身有振動和轉(zhuǎn)動,各有其特種頻率。這些頻率比激發(fā)光的頻率低一兩個數(shù)量級或更多些,于是激發(fā)光的每一周期所遇的分子振動和轉(zhuǎn)動相位不同,相應(yīng)的極化率也不同。〔4〕當(dāng)光入射到樣品上時的三種情況:1.光子同樣品分子發(fā)生了彈性碰撞,沒有能量交換,只是改變了光子的運(yùn)動方向,此時散射光頻率=入射光頻率:hvk=hv1;如頻率為v1的入射光子被樣品吸收,樣品分子被激發(fā)到能量為hvL的振動能級L=1上,同時發(fā)生頻率為vs=v1-vL的斯托克斯散射;3.如果分子處于振動能級為L=1的激發(fā)態(tài),入射光子吸收了這一振動能級的的能量就會發(fā)生頻率為vas=v1-vL的反斯托克斯散射?!?〕拉曼光譜在外觀上有三個明顯的特征:1·對同一樣品,同一拉曼線的波數(shù)差與入射光波長無關(guān);2·其次在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上,如果以入射光波數(shù)為中心點,則斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分裂在入射光的兩邊;3·斯托克斯的強(qiáng)度一般都大于反斯托克斯線的強(qiáng)度。拉曼光譜的上述特點是散射體部構(gòu)造和運(yùn)動狀態(tài)的反映,也是拉曼散射固有機(jī)制的表達(dá)。〔6〕拉曼光譜的退偏度在拉曼散射中,當(dāng)電磁波與*一系統(tǒng)相互作用時,該系統(tǒng)的偏振態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為退偏。退偏度反映了分子振動的對稱情況;退偏度的定義如下所述:由于拉曼散射光的偏振狀態(tài)取決于入射光的偏振狀態(tài)、散射系統(tǒng)的取向和觀察方向,所以先要定義一個參考平面,通常取入射光傳播方向和觀測方向組成的平面,稱為散射平面。當(dāng)入射光為平面偏振光,且偏振方向垂直于散射平面,而觀測方向在散射平面與入射光傳播方向成角時,定義退偏度為;當(dāng)入射光偏振方向平行于散射平面時,定義退偏度為,具體形式[為:(1)其中,光強(qiáng)左上標(biāo)表示入射光的電矢量與散射平面的關(guān)系,的右下標(biāo)表示散射光的電矢量與散射平面的關(guān)系。圖1

入射光沿z軸入射,沿*軸方向偏振的情況例如,入射光沿z軸入射,沿*軸方向偏振時,散射平面為y-z平面,沿y軸觀察時,如圖1所示,其退偏度為(2)

當(dāng)入射光沿y軸方向偏振時,散射光的退偏度為:(3)

當(dāng)入射光為自然光時,有:(4)可以證明,對于入射光為線偏光的情況,有:(5.1)(5.2)對于自然光,則有:(6)其中,稱為平均極化率,是"平均〞極化率的度量;稱為各向異性率,是極化率各向異性率的度量。它們是研究分子振動對稱性的重要參數(shù)。2.2CCl4退偏度的理論計算2.2.1實驗樣品的譜圖分析分子由一個碳原子和四個氯原子組成,四個氯原子位于正四面體的四個頂點,碳原子在正四面體的中心。而N個原子構(gòu)成的分子,當(dāng)N≥3時,有〔3N-6〕個部振動自由度,因此分子具有9個簡正振動方式。每類振動所具有的振動方式數(shù)目對應(yīng)于量子力學(xué)中能級簡并的重數(shù),所以如果*一類震動有g(shù)個振動方式,就稱為該類振動是g重簡并的。根據(jù)以上討論的拉曼光譜根本原理,可以推測出分子拉曼光譜的根本概貌,如譜線數(shù)目、大致位置、偏振性質(zhì)和它們的相對強(qiáng)度;可以從實驗上確切知道譜線的數(shù)目和每條線的波數(shù)、強(qiáng)度及其應(yīng)對應(yīng)的振動方式〔為此有時需輔以紅外光譜等手段〕。以上兩個方面工作的結(jié)合和比照,就可以利用拉曼光譜獲得有關(guān)分子的構(gòu)造和對稱性的信息。4的分子構(gòu)造及振動模式CCl4分子為四面體構(gòu)造,一個碳原子在中心,四個氯原子在四面體的四個頂點,共有9種簡正振動方式,根據(jù)分子對稱性的構(gòu)造,這9種簡正振動可以歸成以下A1,E,T1,T2四類振動方式,在同一類中,各振動方式具有一樣的能量,因而它們是簡并的,A1,E,T1,T2的振動方式分別為:1)A1.4個原子沿各自與c的連線同時向外或向運(yùn)動(呼吸式)。2)E.

4個沿垂直于各自與c的連線的方向運(yùn)動并保持重心不變,兩重簡并。3)T1.C原子平行于正方形的一邊運(yùn)動,4個原子同時平行于該邊反向運(yùn)動。分子重心保持不變,三重簡并4)T2.2個原子沿立方體一面的對角線做伸縮運(yùn)動,另兩個在對面做位相相反的運(yùn)動,也是三重簡并。圖2

分子的9種簡正振動不考慮耦合引起的微擾,上述四種振動方式對應(yīng)于拉曼光譜的四種不同的散射波數(shù)或頻率差,也即每種對應(yīng)一條斯托克斯線和一條反斯托克斯線。除了A1模式是對稱的之外,其他三種模式都是反對稱的。2.2.3

退偏度的理論計算在電磁輻射的經(jīng)典理論中,一個圓頻率為的振蕩電偶極矩,不管是物質(zhì)固有的或由外場感生的,都能輻射頻率為的電磁波[3]。在拉曼散射中,一個頻率為的光入射到一個分子上時,可以感應(yīng)產(chǎn)生電偶極矩,在一級近似下,所產(chǎn)生的電偶極矩,與入射光波電場的關(guān)系為:(7)其中,為極化率量,為分子的振動頻率。(8)

它與分子的構(gòu)造和取向有關(guān),可以證明它是對稱量[3]。對同一個體系,選取不同的坐標(biāo)系,極化率量的各分量也會發(fā)生改變,但有兩個極化率量分量的組合量為不變量,分別是:(9)(10)

,就是〔〕,〔〕中的平均極化率和各項異性率?,F(xiàn)計算CCl4個振動模式對應(yīng)的平均極化率和各向異性率γ。對于振動模式T1,有:(11)

由于CCl4分子和振動模式的對稱性,繞z軸〔設(shè)振動平面平行于z軸〕轉(zhuǎn)動180度后,極化率量不變,振動方式反向,所以對于P和E,有,即(12)由于E為任取的,所以可得到:因此,,(13)同理,對于振動模式E、T2,,對于對稱振動A1,由于分子對稱性和振動對稱性是一致的,因此有,從而,,綜上所述,在幾種特殊情況下退偏度的理論結(jié)果列表如下:振動模式A1010E/T1/T23/416/7三、實驗儀器:儀器:激光拉曼/熒光光譜儀〔單色儀,激光光源,外光路系統(tǒng)及樣品裝置,聚光部件,分光系統(tǒng),探測系統(tǒng)等〕四、實驗容:1..獲取CCL4分子的振動拉曼光譜、振動拉曼偏振光譜。調(diào)節(jié)拉曼光譜儀的外光路,注意兩個要點:a.觀察到瑞利光的成象清晰,并進(jìn)入攝譜儀的入射狹縫;b.調(diào)整聚光部件,使會聚光的腰部正好位于樣品管中心,從各個方面觀察,激光束都應(yīng)通過樣品的中心。2.擬定實驗方案拍攝四氯化碳樣品,并以激光光源的瑞利線校正攝譜儀的讀數(shù),準(zhǔn)確標(biāo)出各譜峰位置,求出各相應(yīng)的拉曼位移?!灿胏m-1表示〕的拉曼光譜,分析其異同點及其原因。3.入射光為線偏振光的退偏度測量利用實驗室提供的偏振片、1/2波片等研究CCL4(四氯化碳〕拉曼光譜的退偏度特性,并于理論值比擬?!?〕調(diào)節(jié)好拉曼光譜儀和各項參數(shù),使得入射狹縫的光強(qiáng)最強(qiáng),并且噪聲較小?!?〕將偏振片P1放置到相應(yīng)位置,調(diào)節(jié)角度為0度,使入射光經(jīng)起偏后對于散射面為垂直偏振光。放置1/2波片,令1/2波片的快軸指向同偏振方向平行。雖然1/2在線偏光測量時并無作用,但這樣做可以保證下面在進(jìn)展自然光測量的時候,實驗條件不改變從而保證兩次結(jié)果疊加的可靠性?!?〕將P2放置到相應(yīng)位置,調(diào)節(jié)角度為0度,使散射光對于散射面為平行偏振,啟動軟件進(jìn)展一次500~560nm的單程測量?!?〕將P2角度調(diào)整為90度,使散射光對于散射面為垂直偏振,再進(jìn)展一次一樣圍的測量?!?〕將調(diào)整P2前后得到的圖像和峰值數(shù)據(jù)整合到一起進(jìn)展比擬,利用公式算出各峰的ρ⊥。五、實驗結(jié)果CCL4的拉曼光譜:特征峰波長/nm519.3523.0525.9538.2541.3545.3波數(shù)差/cm-1459.7323.5218.0-216.5-322.9-458.5特征峰高853.7640.0956.71762.81759.94495.6從圖中可以看出正斯托克斯和反斯托克斯線各有三條。且對應(yīng)的波數(shù)差相差不大。CCL4的退偏度:特征峰波長/nm523.0525.9538.2541.3545.3I[⊥:∥](π/2)754.8982.51829.01789.8162.2I[⊥:⊥](π/2)919.91333.12462.72466.36234.8ρ⊥(π/2)0.8210.7370.7430.7260.026誤差分析:ρ⊥(π/2)的理論值為0.75,實驗測得的數(shù)據(jù)與理論相接近,誤差較小。本次實驗為仿真實驗,因此從理論上來講沒有系統(tǒng)誤差,不過實際操作時會因入射、出射狹縫,孔徑角的匹配,激發(fā)波長的而導(dǎo)致誤差。六、思考題:1.在拉曼光譜實驗中為了得到高質(zhì)量的譜圖,除了選用性能優(yōu)異的光譜儀外,正確的使用光譜儀,控制和提高儀器的分辨率和信噪比是很重要的.提高儀器的分辨率和信噪比的主要因素是什么"實驗中如何實現(xiàn)和鑒別?控制儀器分辨率的主要因素:〔1〕入射、出射狹縫:隨著狹縫寬度加大,分辨率線性下降,使譜線展寬?!?〕孔徑角的

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論