喇曼光谱与光谱技术

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1、喇曼效应当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为喇曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为喇曼散射，一般把瑞利散射和喇曼散射合起来所形成的光谱称为喇曼光谱。由于喇曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物理学家喇曼等所发现。TheNobelPrizeinPhysics1930forhisworkonthescatteringoflightandforthediscoveryoftheeffectnamedafter

2、him”SirChandrasekharaVenkataRaman(1888–1970)CalcuttaUniversityCalcutta,India他们在用汞灯的单色光来照射某些液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在。喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵

3、振动能级)与转动能级结构的知识。喇曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。在激光器出现之前，为了得到一幅完善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使喇曼光谱学技术发生了很大的变革。这是由于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得喇曼光谱的近乎理想的光源，特别是连续波氩离子激光器。于是喇曼光谱学的研究又变得非常活跃了，其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面喇曼光谱技术也已成为很有用的工具。以下是其一些典型应用。[]喇曼光谱基本原理喇曼效应的机制和

4、荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了喇曼效应。下图是说明喇曼效应的一个简化的能级图。设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtualstate），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯

5、线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。瑞利线与喇曼线的波数差称为喇曼位移，因此喇曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个喇曼光谱的示意图。(fromLarryG.Anderson,UniversityofColoradoatDenver,US)请注意：1).在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。2).反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。实际上，反斯托克斯

6、线与斯托克斯线的强度比满足公式：其中是激发光的频率，i是振动频率，h是Planck常数，k是Boltzmann常数，T是绝对温度。[喇曼光谱原理][四氯化碳的喇曼光谱图]喇曼光谱与红外光谱Raman散射与红外吸收方法机理不同，所遵守的选择定则也不同。两种方法可以相互补充，这样对分子的问题可以更周密的研究。下图是Nylon66的Raman与红外光谱图。喇曼光谱的实验装置喇曼分光光度计有成套的设备，也可以分部件装配。下图为谱仪的装置示意图，主要有激光光源，外光路系统及样品装置，单色仪和探测记录装置，现分述如下。激光光源外光路系统及样品装置分光系

7、统探测，放大和记录系统喇曼光谱实验中应注意的几个问题在喇曼光谱实验中，为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的谱仪外，准确地使用光谱仪，控制和提高仪器分辨率和信噪比是很重要的。狭缝出射入射和中间狭缝是喇曼光谱仪的重要部分。入射、出射狭缝的主要功能是控制仪器分辨率，中间狭缝主要是用来抑制杂散光。对于一个光谱仪，即使用一绝对单色光照射狭缝，其出射光也总有一宽度为Δυ的光谱分布。这主要是由仪器光栅，光学系统的象差，零件加工及系统调整等因素造成的，并由此决定了仪器的极限分辨率。在实际测量中，随着狭缝宽度加大，分辨率还要线性下降，使谱线展宽。孔径角的匹配

8、由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。自己组装光谱仪系统时更