激光拉曼光譜

1、激光拉曼光譜裘曉敏(005042)李佛生(指導教師)【實驗目的】本實驗要緊通過記錄CCL分子的振動拉曼譜，學習和了解拉變散射的大體原理、拉星光譜實驗及分析方式。【實驗原理】當波數(shù)為出的單色光入射到介質(zhì)上時，除被介質(zhì)吸收、反射和透射外，總會有一部份光被散射。按散射光相關(guān)于入射光波數(shù)的改變情形，可將散射光分為三類：第一類，其波數(shù)大體不變或轉(zhuǎn)變小于l(Tcmr,這種散射稱為瑞利散射；第二類，其波數(shù)轉(zhuǎn)變大約為，稱為布里淵散射；第三類是波數(shù)轉(zhuǎn)變大于IcnT的散射，稱為拉區(qū)散射：從散射光的強度看，瑞利散射最強，拉曼散射光最弱。圖1是用氧離子激光照射樣品，用光電記錄法取得的振動拉星光譜。其中最強的一支光譜和

2、入射光的波數(shù)相同，是瑞利散射。另外還有幾對較圖1振動拉哄散射光譜弱的譜線對稱地散布在弓)雙側(cè)，其位移)<()的散線稱為斯托克斯線，/>0的散射線稱為反斯托克斯射。拉曼散射光譜具有以下明顯的特點：(1)拉曼散射譜線的波數(shù)盡管隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉盛譜線的位移/與入射光的波長無關(guān)：(2)在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地散布在瑞利散射線雙側(cè)：(3)一樣情形下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。拉曼散射的半徑典量子說明按量子論的觀點，頻率為必的入射單色光能夠看做是具有能量為癡,的光子。當光子與物質(zhì)分子碰撞時有兩種可能，一種是彈性碰撞，另一種是

3、非彈性碰撞。在彈性碰撞進程中,沒有能量互換，光子只改變運動方向，這確實是瑞利散射；而非彈性碰撞不僅改變運動方向，而且有能量互換，這確實是拉域散射。處于基態(tài)瓦的分子受到入射光子施。的激發(fā)躍遷到一受激虛態(tài)，而受激虛態(tài)是不穩(wěn)固的，專門快向低能級躍遷。若是躍遷到基態(tài)瓦，把吸收的能量施。以光子的形式釋放出來，這確實是彈性碰撞，為瑞利散射。若是躍遷到電子基態(tài)中的某振動激發(fā)態(tài)以上，那么分子吸收部份能量癡*,并釋放出能量為力出。-必)的光子，入射光(小+)圖2光散射的譜半經(jīng)典量子解釋示意圖這是非彈性碰撞，產(chǎn)生斯托克斯線。假設(shè)分子處于某振動激發(fā)態(tài)耳上，受到能量為心的光子激發(fā)躍遷到另一受激虛態(tài)，若是從虛態(tài)仍躍遷到

4、房產(chǎn)生瑞利散射，若是從虛態(tài)躍遷到基態(tài)瓦，那么釋放出能量為方小。+）的光子，產(chǎn)生反斯托克斯線。依照玻爾茲星散布，在常溫下，處于基態(tài)的分子占絕大多數(shù)，因此通常斯托克斯線比反斯托克斯線強很多。拉曼散射的退偏度當電磁輻射與一系統(tǒng)彼此作歷時，偏振態(tài)常發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為退偏。在拉曼散射中，散射光的退偏往往與分子的對稱性有關(guān)。因此研究散射光的偏振特性能夠提供分子結(jié)構(gòu)和簡正振動對稱類型的有利信息。退偏度（或退偏比）是為了定量描述退偏程度而引入的。為了標志偏振方向，概念“散射平面”為包括入射光傳播方向和觀測方向的平而。當入射光為平而偏振光，且偏振方向平行于散射平而，而觀測方向在散射平而內(nèi)與入射光傳播方向成口

5、角時，概念退偏度p（0）為兩個強度比，即：p（0）=_J,式中光強/左上標表示入射光電矢量與散射平面的艘）關(guān)系，了的右下標表示散射光的電矢量與散射平而的關(guān)系。同理，當入射光偏振方向垂直于散射平面時，退偏度為pL（8）=-,當入射光為自然光時,退偏度為0”（8）=上一o兒也3/2由理論計算可得，入射光為平而偏振光時夕（乃/2）=夕式笈/2）=三入射45瓦.+4廠光為自然光時金（乃/2）=6/45a2 +7/2，其中P為平均電極化率，y為各向異性率，是極化率各向異性的量度。當值=0時，0“（1/2）=6/7,4（1/2）=%（乃/2）=3/4這時散射光偏振性最小，稱為完全退偏。當u=0,而5工0時

6、，那么必有夕”（1/2）=4（1/2）=%（4/2）=0這時散射光的偏振性最大，稱為完全偏振。當y20,而5W0時，夕（乃/2）,%（乃/2）的值在。和3/4之間，而4（%/2）在。和6/7之間,這時散射光是部份偏振的?？梢奝越接近于0,表示分子振動含有的對稱振動成份越多。反之越近于6/7,PlP越近于3/4,那么說明分子的振動含有非對稱振動成份越多。因此，測量退偏度能夠直接判定放射光的偏振性和振動的對稱性，CCL(四氯化碳)分子的對稱結(jié)構(gòu)及振動方式CCL：分子為四面體結(jié)構(gòu)，一個碳原子在中心，四個氯原子在四面體的四個極點，當四面體繞其自身的某一軸旋轉(zhuǎn)必然角度，分子的幾何構(gòu)形不變的操作稱為對稱操

7、作，其旋轉(zhuǎn)軸稱為對稱軸。CCL有13個對稱軸，有24個對稱操作，咱們明白，N個原子組成的分子有(3N-6)個內(nèi)部振動自由度。因此，CCL分子能夠有9個(3x56)自由度，或稱為9個獨立的簡正振動。依照分子的對稱性，這9種簡正振動可歸成以下四類：第一類，只有一種振動方式，4個C1原子沿與C原子的聯(lián)線方向作伸縮振動，記作,表示非簡并振動。第二類，有兩種振動方式，相鄰兩對C1原子在與C原子聯(lián)線方向上，或在該聯(lián)線垂直方向上同時作反向運動，記作叱，表示二重簡并振動。第三類，有三種振動方式，4個C1原子與C原子作反向運動，記作表示三重簡并振動。第四類，有三種振動方式，相鄰的一對C1原子作伸張運動，另一對作

8、緊縮運動，記作,表示另一種三重簡并振動。上面所說的“簡并”，是指在同一類振動中，盡管包括不同的振動方式但具有相同的能量，它們在拉曼光譜中對應(yīng)同一條譜線。因此，CCL分子振動拉城光譜應(yīng)有4個大體譜線，依如實驗中測得各譜線的相對強度依次為匕>%>匕>匕?！緦嶒瀮x器】LRS-II激光拉曼/熒光光譜儀，運算機?！緦嶒瀮?nèi)容】打開激光拉變光譜儀，將四氯化碳倒入試管中，先取下兩塊偏振片。打開激光器電源，將電流調(diào)至1安培左右。打開激光拉曼光譜儀的電源。打開運算機，啟動LRS-口/III操縱處置系統(tǒng)。在正式測量前，必需進行波長修正和光路調(diào)劑兩項工作。在532nm左右范闈內(nèi)進行單程測量，能夠發(fā)覺

9、一最頂峰，將其X坐標值與532nm比較,若是有誤差，就將波長修正為532nm.然后開始調(diào)劑光路，在532nm處進行定點測量，調(diào)劑光路使波峰達到最大值。然后開始正式測量，先設(shè)置參數(shù)，距離調(diào)為，起始波長5O8nm,終止波長560nm,負高壓8,域值19,積分時刻400ms。點擊單程開始測量，所得圖形如下：3000C5CI2o o O OC5OE 2 11500523538波長Inm)圖3四氯化碳拉區(qū)散射光譜圖如圖3所示，532nm處最頂峰為瑞利散射，瑞利散射右邊存在較明顯五峰，為拉盛散射中的斯托克斯線，第四第五峰連接在一路。瑞利散射左側(cè)存在較明顯三峰，為拉變散射中的反斯托克斯線，第四第五峰不明顯。

10、打開激光拉唯光譜儀，加上第一塊偏振片，現(xiàn)在入射光能夠看做自然光。設(shè)置相同的參數(shù)，偏振片角度調(diào)為0度，散射光為平行偏振光。測量得出一條譜線。將偏振片的角度調(diào)為90度，散射光為垂直偏振光，測量得出第二條譜線。所得譜線如圖4：20010U8011700o o O 504030 掘菽里508518528538548558波長（1-皿）圖4淡色譜線表示偏振片為90度時垂直偏振光,黑色譜線表示偏振片為0度時平行偏振光。n,（夕）計算斯托克斯線第三個峰的退偏比（夕）=圖5打開激光拉星光譜儀，加上第二塊偏振片。先將此偏振片角度調(diào)整為0度，那么入射光能夠看做是平行偏振光，將第一塊偏振片角度調(diào)為0度，那么散射光為

11、平行偏振光，由此可得一譜線。將第一塊偏振片調(diào)整為90度，那么散射光為垂直偏振光，取得另一譜線。所得兩條譜線如圖5：淡色譜線表示偏振片為0度時平行偏振光,黑色譜線表示偏振片為90度時垂直偏振光.計算斯托克斯線第三個峰的退偏比P/（0）=將第二塊偏振片角度調(diào)整為90度，那么入射光能夠看做是垂直偏振光，將第一塊偏振片角度調(diào)為0度，那么散射光為平行偏振光，由此可得以一譜線。將第一塊偏振片調(diào)整為90度，那么散射光為垂直偏振光，取得另一譜線。所得兩條譜線如圖6：600圖6淡色譜線表示偏振片為90度時垂直偏振光,黑色譜線表示偏振片為0度時平行偏振光。1.計算斯托克斯線第三個峰的退偏比夕小。）=工方二。由于在實驗中無法幸免雜光的干擾，所得譜線中包括了雜光的譜線，譜線顯現(xiàn)不滑膩的現(xiàn)象。由于儀器等等關(guān)系，無法將光路調(diào)劑到最好，使得所取得的拉星譜線峰值普遍較小，所取得的退偏比也只能是一個可能的估量?！咀⒁馐马棥慨?shù)诙K偏振片角度90度時，光強最大，0度時，光強最小，說明激光不是圓偏振光,是橢圓偏振光，因此最后兩個圖峰值有較大不同，對實驗結(jié)果也有所阻礙。在實驗中，光路調(diào)劑是最復雜也是最重要的工作。光路的大體原理是：激光射出經(jīng)平而鏡反射，再通過偏振片打在四氯化碳上。產(chǎn)生兩種反射光，一種直接通過凸面鏡