凝聚态物理作业---拉曼光谱

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1、拉曼光谱和红外光谱的区别张艾佳2013111752摘要：本文从介绍拉曼光谱和红外光谱入手，进一步的分析其两者之间的区别。从而使读者更加清楚和明白的应用拉曼和红外这两种表征方法。关键字：拉曼光谱，红外光谱，区别1引言有机化合物的机构表征，即测定——从分子水平上认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部分。过去主要是依靠化学手段来进行有机化合物的机构测定。其缺点是费时费力费钱，且需要的样品量大。例如吗啡碱结构的测定，1805年开始研究，直至1952年才完全弄清楚，历时147年。现在的结构测定则是采用现代仪器分析法，它具有省时省力省钱快速的优点。它不仅可以研究

2、分子的结构还可以探索分子间的各种聚集态的结构类型和构象的状况，对于人类面临的生命科学，材料科学的发展，是极其重要的。这里我简单调研了两种比较有用的方法：红外光谱和拉曼光谱。2正文2．1红外光谱（1）原理：电子能一般是紫外光谱和可见光谱，也正是电子能的存在才有了我们一般看到的各种化合物的颜色；而振动能和转动能一般所需的能量较低，波长较长，在不同的振动和转动得能级之间进行跃迁，而产生的在红外波段的光谱就是红外光谱。即使是最简单的水分子，也有不同的振动模式，以最简单的不改变键角的沿轴振动为例，两个氢原子可以是对称地同时向氧原子靠近或离开，也可以是反对称一个靠近

3、氧原子，一个离开氧原子。当然，还会有其它形式的振动和转动，例如改变键角的剪式振动和摇摆振动。上述振动虽然不改变极性分子中正、负电荷中心的电荷量，却改变着正、负电中心间的距离，导致分子偶极矩的变化。相应这种变化，分子中总是存在着不同的振动状态，有着不同的振动频率，因而形成不同的振动能级。能级间的能量差与红外光子的能量相当。选择吸收当一束连续波长的红外光透过极性分子材料时，某一波长的红外光的频率若与分子中某一原子或基团的振动频率相同时，即发生共振。这时，光子的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，导致分子对这一频率的光子的，从振动基态激发到振动激发态，产生振动

4、能级的跃迁。值得注意的是：正是由于偶极矩的变化才导致了红外吸收，所以对于那些对称原子组成的分子振动不会改变偶极矩，自然也就不会产生红外吸收，对于这样的分子，拉曼光谱方法会更有效。（2）光谱类型红外光谱可分为发射光谱和吸收光谱两类。物体的红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成，由于测试比较困难，红外发射光谱只是一种正在发展的新的实验技术，如激光诱导荧光。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。例如水分子有较宽的吸收峰，所以

5、分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动。含n个原子的分子应有3n-6个简正振动方式；如果是线性分子，只有3n-5个简正振动方式。以非线性三原子分子为例，它的简正振动方式只有三种。在v1和v3振动中，只是化学键的伸长和缩短，称为伸缩振动，而v2的振动方式改变了分子中化学键间的夹角称为变角振动,它们是分子振动

6、的主要方式。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此，当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子的振动，而产生红外吸收光谱。2.2拉曼光谱（1）发展历史：拉曼辐射理论是1923年由德国物理学家A.Smekal首先预言的，1928年印度物理学家C.V.Raman观察到苯和甲苯的效应，在此基础上发展起了拉曼光谱学。60年代激光被用作拉曼光谱的激发光源之后，由于激光的优越性，从而大大提高了拉曼散射的强度，使拉曼光谱进入了一个新时期，得到了日益广泛的应用。（2）简易原理：当入射光子与物质相互作用时，除了会发生Rayleigh散

7、射（光子发生弹性碰撞，无能量交换，仅改变方向）外，还会发生Raman散射：碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且改变频率，称为Raman散射。能量的改变过程一般是分子由初能级跃迁到一个虚能级上，然后再由虚能级跌落到终能级上。由初能级和终能级之间的大小关系可将谱线分为stokes谱线（能级升高）和anti-stokes谱线（能级降低），由Boltzman分布可知分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。Raman散射的产生是由于在光电场E中，分子产生诱导偶极距r，其中r=aE，a为分子极化率。从这里

8、可以看出，当分子极化率发生改变时，便会出现拉曼光谱，而不像红外光谱对对称分子免疫