激光拉曼实验.doc

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1、激光拉曼实验 当一束光通过透明介质时,一部分光会散射到各个方向，引起散射的原因,可能是由于介质的不均匀或在介质中悬浮有小的粒子。在均匀介质中，由于分子本身也能引起光的散射。瑞利提出的关于分子引起散射的经典理论认为,在入射光电磁场的作用下分子的电偶极以入射光的频率振动,因而发生光的散射,且散射光的频率与入射光的频率相同。1925年,海森伯等提出,如果被照射的分子是处在振动状态,那除了观察到和入射光频率相同的散射光外,还应该观察到频率分别为入射光频率与分子振动频率的和及差的散射光。1928年,印度物理学家拉曼(C.V.Raman,1888-1970)在对液体和固

2、体散射光的大量研究中,发现单色光的散射光谱中除了有瑞利谱线外,还有一些很弱的谱线.这些谱线的频率与入射光的频率不同,这一现象称为光的拉曼散射。拉曼光谱是分子或凝聚态物质的散射光谱,入射光是强单色光,散射光除含有频率未变的光(这叫瑞利散射),还含有相当弱的有频率增减的光,其中带有散射体结构和状态的信息。拉曼散射是一种用得很多的分析测试手段.首先它是一种光谱方法,光谱方法的优越性无需细说.以前用可见和近紫外光谱分析原子,用红外光谱分析分子和固体,但至今红外光谱的综合性能仍远逊于可见和近紫外光谱,而拉曼散射是在可见区,且可通过选用光源而定频段,其灵敏度足可检出四氯

3、化碳中万分之一的杂质苯,样品量只是10ˉ6-10ˉ3g量级。拉曼光谱尤其有利于分析有机物、高分子、生物制品、药物等,故成为化学、农业、医药、环保及商检等行业的重要分析技术。在凝聚态物理学中,拉曼光谱也是取得结构和状态信息的重要手段。一、实验目的1、了解拉曼散射的基本原理2、学习使用拉曼光谱仪测量物质的谱线，知道简单的谱线分析方法。二、实验原理当波束为的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于，这类散射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为，

4、称为布利源散射；第三类是波数变化大于的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。图（1a）图（1b）（上能态是虚能态，实际不存在。这样的跃迁过程只是一种模型实际并没有发生）图2斯托克斯线瑞利线反斯托克斯线在量子理论中，把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射也可以是非弹性碰撞的

5、散射。在弹性碰撞过程中，光量子与分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，如图（1a）；在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光（斯托克斯线），散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态，如图（1b），这时的光量子的频率为；当分子已经处于振动或转动的激发态时，光量子则从散射分子中取得了能量（振动或转动能量），以

6、较大的频率散射，称为频率较高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为。如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的斯托克斯线和反斯托克斯线。最简单的拉曼光谱如图2所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；高频的一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差亦为，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。斯托克斯线和反斯托克

7、斯线通常称为拉曼线，其频率常表示为，称为拉曼频移，这种频移和激发线的频率无关，以任何频率激发这种物质，拉曼线均能伴随出现。因此从拉曼频移，我们又可以鉴别拉曼散射池所包含的物质。△υ的计算公式为：式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm-1。拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比：式中φk—在垂直入射光束方向上通过聚焦镜所收集的喇曼散射光的通量（W）；φ0—入射光照射到样品上的光通量（W）；Sk—拉曼

8、散射系数，约等于10-28~10-29mol/sr；