拉曼散射光谱课件

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1、拉曼散射光谱现代物理实验方法——拉曼散射光谱王风丽物理馆70365981179wangfengli@tongji.edu.cn2011-11-04主要内容：拉曼光谱原理拉曼光谱仪结构拉曼光谱应用拉曼光谱仪应用技术拉曼光谱原理什么是拉曼散射？拉曼散射理论解释拉曼散射强度拉曼散射退偏度拉曼光谱特点半经典量子理论经典电磁理论拉曼散射：光与物质的相互作用反射、散射、吸收、透射等等分子或原子物质入射光散射光透射光反射光吸收散射是光与物质分子、原子相互作用的一种形式定义：光通过光学性质不均匀的物质时，从侧向可以看到光的现象。散射分类：弹性散射非弹性散射散射光

2、频率与入射光相同不进行能量交换，只改变传播方向散射光频率发生变化二者交换能量，传播方向发生改变瑞利散射、米氏散射布里渊散射、拉曼散射瑞利散射：微粒的线度小于入射光的波长发生的散射散射光强度与入射光波长有关正比于晴朗的日子，中午的天空为什么是蓝色的？早晚东西方的空中为什么出现红色霞光？广阔的大海为什么是一幅深蓝色的景象？人眼对绿光最敏感，而警示用信号灯是红色？米氏散射：微粒的线度与入射光的波长相当或大于时发生的光散射现象散射光强度与入射光波长有一定关系，但有方向性晴天时，天空中的云为什么是白色的？阴天下雨时，天空的云为什么是灰色或黑色？散射光在光线

3、向前的方向比向后的方向更强，且在空间不同方向上会出现一些极大或极小。拉曼散射：入射光与物质的分子、原子相互作用，由于分子转动、振动能级、电子能级跃迁引起散射光频率发生变化的光散射现象。拉曼散射光强弱，是入射光强度的10-61923年A.G.S.斯梅卡尔指出，在光的散射过程中,如果分子的状态也发生改变,则入射光与分子交换能量的结果可导致散射光的频率发生改变。拉曼散射光频率有大于、小于入射光频率成分。特点：强光入射到物质中时，出现：与入射光频率不变的散射光，属于瑞利散射；比入射光频率小的散射光，称为斯托克斯线；比入射光频率大的散射光，称为反斯托克斯线

4、。频率差Δω/2π等于分子、原子振动的频率。1928年C.V.喇曼在研究苯、甲苯、水及其他多种液体、一些气体与蒸气以及洁净的冰与光相互作用中，发现了这种现象：同年Γ.С.兰茨贝格与Л.И.曼杰斯塔姆也独立地在石英晶体中发现了同种现象。布里渊散射：介质是由大量的质点群组成，这些质点群连续不断地作热运动，从而使介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度随时间和空间的周期性起伏，因而对入射光产生散射作用。类似于超声波对光的衍射作用。布里渊散射在声学中具有重要的应用。光与介质中的弹性波作用发生的散射，

5、散射光频率发生微小变量，一般在0.1-2cm-1。散射频移大小与散射角和介质的声波特性有关。拉曼散射理论解释经典电磁波理论光波场：光波电场与物质分子相互作用，使分子产生振荡的感生电偶极矩，该振荡的感生电偶极矩作为辐射源，产生瑞利散射和拉曼散射。电场强度矢量、磁感应强度矢量、光波传播方向三者满足右手定理光波动性粒子性经典电磁理论解释量子（粒子）理论解释当入射光不很强时（线性范畴），感生电偶极矩与分子极化率以及电场强度之间的关系近似为:为分子极化率，一般是各向异性的，是原子坐标函数。也称介电张量一般介电张量表示形式为：电偶极矩可表示为：假设单色光照射

6、，电场表示为：为光的频率由分子振动所引起的极化率的变化，可以通过将极化率的每一分量按简正坐标展开为如下的泰勒级数式中qk、ql、…是振动频率为、、…振动的简正坐标。若令(aij)0＝a0，为平衡位置的极化率为平衡位置，单位核位移引起的极化率变化对于谐振性近似，只保留一级项，并且只考虑第K个振动简正模qk，则在简谐振动条件下，qk的时间依赖关系为:则介质或分子极化由可得：介质或分子极化简化为：感生电偶极子产生三个频率成分瑞利散射谱线斯托克斯谱线反斯托克斯谱线同频率的为瑞利散射谱线频率减小的为斯托克斯谱线频率增大的为反斯托克斯谱线等于分子、原子振

7、动的频率，喇曼位移只与分子自身的结构有关，而与入射光的频率无关。结论：按经典辐射理论，光与分子相互作用，分子极化后将有三种频率的电磁幅射。其中是产生的瑞利散射，它与入射光同频率，和分别是分子振动简正模qk的反斯托克斯和斯托克斯喇曼散射，其喇曼位移为经典电磁理论可以解释拉曼光谱产生原因拉曼散射的半经典量子理论单色光与分子相互作用所产生的散射现象可以用光量子（粒子）与分子的碰撞来解释频率为的单色光可以看着是具有能量为的光粒子光子与分子相互作用时，发生两种碰撞:弹性碰撞非弹性碰撞弹性碰撞：光子与分子之间不发生能量交换，光子仅仅改变其运动方向，频率不发生

8、变化瑞利散射米氏散射非弹性碰撞光子不仅改变其运动方向，光子与分子之间发生能量交换，频率发生变化拉曼散射布里渊散射光子分子能量传递光子能量