激光拉曼實(shí)驗(yàn).doc

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1、激光拉曼實(shí)驗(yàn)?當(dāng)一束光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí),一部分光會(huì)散射到各個(gè)方向，引起散射的原因,可能是由于介質(zhì)的不均勻或在介質(zhì)中懸浮有小的粒子。在均勻介質(zhì)中，由于分子本身也能引起光的散射。瑞利提出的關(guān)于分子引起散射的經(jīng)典理論認(rèn)為,在入射光電磁場(chǎng)的作用下分子的電偶極以入射光的頻率振動(dòng),因而發(fā)生光的散射,且散射光的頻率與入射光的頻率相同。1925年,海森伯等提出,如果被照射的分子是處在振動(dòng)狀態(tài),那除了觀察到和入射光頻率相同的散射光外,還應(yīng)該觀察到頻率分別為入射光頻率與分子振動(dòng)頻率的和及差的散射光。1928年,印度物理學(xué)家拉曼(C.V.Raman,1888-1970)在對(duì)液體和固

2、體散射光的大量研究中,發(fā)現(xiàn)單色光的散射光譜中除了有瑞利譜線外,還有一些很弱的譜線.這些譜線的頻率與入射光的頻率不同,這一現(xiàn)象稱為光的拉曼散射。拉曼光譜是分子或凝聚態(tài)物質(zhì)的散射光譜,入射光是強(qiáng)單色光,散射光除含有頻率未變的光(這叫瑞利散射),還含有相當(dāng)弱的有頻率增減的光,其中帶有散射體結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的信息。拉曼散射是一種用得很多的分析測(cè)試手段.首先它是一種光譜方法,光譜方法的優(yōu)越性無(wú)需細(xì)說(shuō).以前用可見(jiàn)和近紫外光譜分析原子,用紅外光譜分析分子和固體,但至今紅外光譜的綜合性能仍遠(yuǎn)遜于可見(jiàn)和近紫外光譜,而拉曼散射是在可見(jiàn)區(qū),且可通過(guò)選用光源而定頻段,其靈敏度足可檢出四氯

3、化碳中萬(wàn)分之一的雜質(zhì)苯,樣品量只是10ˉ6-10ˉ3g量級(jí)。拉曼光譜尤其有利于分析有機(jī)物、高分子、生物制品、藥物等,故成為化學(xué)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保及商檢等行業(yè)的重要分析技術(shù)。在凝聚態(tài)物理學(xué)中,拉曼光譜也是取得結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息的重要手段。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解拉曼散射的基本原理2、學(xué)習(xí)使用拉曼光譜儀測(cè)量物質(zhì)的譜線，知道簡(jiǎn)單的譜線分析方法。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)波束為的單色光入射到介質(zhì)上時(shí)，除了被介質(zhì)吸收、反射和透射外，總會(huì)有一部分被散射。按散射光相對(duì)于入射光波數(shù)的改變情況，可將散射光分為三類：第一類，其波數(shù)基本不變或變化小于，這類散射稱為瑞利散射；第二類，其波數(shù)變化大約為，

4、稱為布利源散射；第三類是波數(shù)變化大于的散射，稱為拉曼散射；從散射光的強(qiáng)度看，瑞利散射最強(qiáng)，拉曼散射最弱。在經(jīng)典理論中，拉曼散射可以看作入射光的電磁波使原子或分子電極化以后所產(chǎn)生的，因?yàn)樵雍头肿佣际强梢詷O化的，因而產(chǎn)生瑞利散射，因?yàn)闃O化率又隨著分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等）而變化，所以產(chǎn)生拉曼散射。圖（1a）圖（1b）（上能態(tài)是虛能態(tài)，實(shí)際不存在。這樣的躍遷過(guò)程只是一種模型實(shí)際并沒(méi)有發(fā)生）圖2斯托克斯線瑞利線反斯托克斯線在量子理論中，把拉曼散射看作光量子與分子相碰撞時(shí)產(chǎn)生的非彈性碰撞過(guò)程。當(dāng)入射的光量子與分子相碰撞時(shí)，可以是彈性碰撞的散射也可以是非彈性碰撞的

5、散射。在彈性碰撞過(guò)程中，光量子與分子均沒(méi)有能量交換，于是它的頻率保持恒定，這叫瑞利散射，如圖（1a）；在非彈性碰撞過(guò)程中光量子與分子有能量交換，光量子轉(zhuǎn)移一部分能量給散射分子，或者從散射分子中吸收一部分能量，從而使它的頻率改變，它取自或給予散射分子的能量只能是分子兩定態(tài)之間的差值，當(dāng)光量子把一部分能量交給分子時(shí)，光量子則以較小的頻率散射出去，稱為頻率較低的光（斯托克斯線），散射分子接受的能量轉(zhuǎn)變成為分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量，從而處于激發(fā)態(tài)，如圖（1b），這時(shí)的光量子的頻率為；當(dāng)分子已經(jīng)處于振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的激發(fā)態(tài)時(shí)，光量子則從散射分子中取得了能量（振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量），以

6、較大的頻率散射，稱為頻率較高的光（反斯托克斯線），這時(shí)的光量子的頻率為。如果考慮到更多的能級(jí)上分子的散射，則可產(chǎn)生更多的斯托克斯線和反斯托克斯線。最簡(jiǎn)單的拉曼光譜如圖2所示，在光譜圖中有三種線，中央的是瑞利散射線，頻率為，強(qiáng)度最強(qiáng)；低頻一側(cè)的是斯托克斯線，與瑞利線的頻差為，強(qiáng)度比瑞利線的強(qiáng)度弱很多，約為瑞利線的強(qiáng)度的幾百萬(wàn)分之一至上萬(wàn)分之一；高頻的一側(cè)是反斯托克斯線，與瑞利線的頻差亦為，和斯托克斯線對(duì)稱的分布在瑞利線兩側(cè)，強(qiáng)度比斯托克斯線的強(qiáng)度又要弱很多，因此并不容易觀察到反斯托克斯線的出現(xiàn)，但反斯托克斯線的強(qiáng)度隨著溫度的升高而迅速增大。斯托克斯線和反斯托克

7、斯線通常稱為拉曼線，其頻率常表示為，稱為拉曼頻移，這種頻移和激發(fā)線的頻率無(wú)關(guān)，以任何頻率激發(fā)這種物質(zhì)，拉曼線均能伴隨出現(xiàn)。因此從拉曼頻移，我們又可以鑒別拉曼散射池所包含的物質(zhì)?！鳓缘挠?jì)算公式為：式中，λ和λ0分別為散射光和入射光的波長(zhǎng)?！鳓缘膯挝粸閏m-1。拉曼譜線的頻率雖然隨著入射光頻率而變化，但拉曼光的頻率和瑞利散射光的頻率之差卻不隨入射光頻率而變化，而與樣品分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。拉曼譜線的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度和樣品分子的濃度成正比：式中φk—在垂直入射光束方向上通過(guò)聚焦鏡所收集的喇曼散射光的通量（W）；φ0—入射光照射到樣品上的光通量（W）；Sk—拉曼

8、散射系數(shù)，約等于10-28~10-29mol/sr；