拉曼光譜解讀

1、激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、學(xué)習(xí)使用光譜測(cè)量中常用的儀器設(shè)備；2、測(cè)量 CCl4 （液體）的拉曼光譜；3、學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單而常用的光譜處理方法，并對(duì) CCl4 的拉曼光譜進(jìn)行處理，求出 CCl 4 的主要拉曼線的拉曼位移。拉曼光譜基本原理 1、現(xiàn)象頻率 v0的單色輻射入射到透明氣體、液體或光學(xué)上完整透明的固體上時(shí)，大 部分輻射無改變地透過，還有一部分受到散射。其中將出現(xiàn)頻率為v0 vm 的輻射對(duì)。這種輻射頻率發(fā)生改變的散射成為拉曼（ Raman）散射；還有輻射頻率不 發(fā)生改變的散射稱為瑞利散射。 一般把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜 稱為拉曼光譜，即 v0和v0 vm合起來構(gòu)成拉曼光譜。 v0稱為

2、瑞利線， v0 vm 稱 為拉曼線， vm 稱為拉曼位移。且頻率為 v0 vm 的拉曼線稱為斯托克斯線，頻率 為 v0 vm 的拉曼線稱為反斯托克斯線。 瑞利散射的強(qiáng)度通常約為入射輻射強(qiáng)度的 10 3 ，強(qiáng)的拉曼散射的強(qiáng)度一般約為瑞利散射強(qiáng)度的 10 3，2、解釋 對(duì)拉曼散射的完整理論解釋是非常復(fù)雜的，限于篇幅這里不作介紹，請(qǐng)大家 參看附后的有關(guān)參考書。 下面用一個(gè)簡(jiǎn)單模型 散射系統(tǒng)與入射輻射之間的能 量交換模型對(duì)其加以解釋。設(shè)散射系統(tǒng)有兩個(gè)能級(jí) E1、 E2 ，且有 E2 E1，E2 E1 hv0 。由于入射輻射 的相互作用，系統(tǒng)可以從低能級(jí) E1躍遷到高能級(jí) E2 ，這是必須要從入射輻射中

3、 獲得所需能量 E E2 E1。這個(gè)過程可以認(rèn)為是系統(tǒng)吸收一個(gè)能量為 hv0 的入射 光子，從 E1 能級(jí)躍遷到某一更高能級(jí)（通常散射系統(tǒng)并沒有這樣一個(gè)能級(jí)，所以稱其為虛能級(jí)），然后，放出一個(gè)能量為 hv0 E 的散射光子而躍遷到 E2能級(jí)。 此時(shí)，散射光子的頻率可表述為：hv0 E Ev 0 hv0 h v0 vm另一方面， 如果散射系統(tǒng)處于激發(fā)能級(jí) E2，由于相互作用的存在， 它可以從 高能級(jí) E2 躍遷到低能級(jí) E1。此時(shí)系統(tǒng)必須把能量 E E2 E1交給入射輻射。同 樣這一過程可認(rèn)為是系統(tǒng)吸收一個(gè)能量為 hv0 的入射光子。 從 E2 能級(jí)躍遷到某一 高的虛能級(jí)，然后以放出一個(gè)能量為

4、hv0 E 的散射光子而躍遷到 E1能級(jí)。此時(shí)， 散射光子的頻率可表述為：hv0EEv0 h v0 vm以上的描述可用圖 1 來直觀表示h拉曼散射所涉及到得能級(jí) E1、 E2 ，一般為散射系統(tǒng)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)（對(duì)于分子系統(tǒng)而言），或?yàn)榫Ц裾駝?dòng)能級(jí)（對(duì)于晶體而言） 。即拉曼位移 vm 通常對(duì) 應(yīng)系統(tǒng)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或晶體振動(dòng)頻率。實(shí)驗(yàn)裝置 拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般由單色激發(fā)光源、樣品室、色散系統(tǒng)和探測(cè)記錄裝置 等組成。本實(shí)驗(yàn)采用蘇州大學(xué)生產(chǎn)的 SD-RI型小型拉曼光譜儀。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如 圖 2 所示。下面分別加以介紹。1、激發(fā)光源 激發(fā)拉曼光譜的光源，最主要的是要具有高單色性，并能在樣品上給出高輻

5、照度。本實(shí)驗(yàn)采用 He Ne激光器作為單色光源。其輸出激光的波長(zhǎng)為 6328 A 它的使用比較簡(jiǎn)單，打開電源，調(diào)節(jié)電流至所需值（一般約為 12mA）即可。2、 樣品室前面已介紹過，拉曼散射的強(qiáng)度比較弱。為了有效的進(jìn)行測(cè)量，樣品室必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。 樣品時(shí)要考慮使激發(fā)光以最有效的方式照射樣品， 并要盡可能地收集 散射光。本實(shí)驗(yàn)所用的樣品室（見圖 2），由兩個(gè)凹面反射鏡 M 1 、 M 2 和兩個(gè)凸 透鏡 L1 、 L2組成。這里 L1 的作用是對(duì)入射激發(fā)光進(jìn)行聚焦以提高激發(fā)強(qiáng)度， M1 的作用在于把透過樣品的激發(fā)光反射回樣品再次利用以進(jìn)一步提高激發(fā)強(qiáng)度； L2、M2 用于收集散射光。其中 L2把向著

6、色散系統(tǒng) 單色儀方向散射的光聚集 起來送入單色儀， M2 把背著單色儀方向散射的光反射回來，通過 L2的聚焦送入 單色儀。具體實(shí)驗(yàn)中， 對(duì)樣品裝置的調(diào)整以使得各光學(xué)元件達(dá)到最佳位置是一件非常 困難的事， 這也是本實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的一步， 樣品裝置是否能調(diào)整好直接關(guān)系著實(shí)驗(yàn) 的成??！3、色散系統(tǒng)對(duì)色散系統(tǒng)的選擇， 主要決定于所用激發(fā)光源的波長(zhǎng)和所研究樣品的拉曼位 移的大小。 目前一般采用以光柵作為色散元件的單色儀。 又是為了提高光譜信號(hào) 的信噪比，將兩臺(tái)單色儀串接起來使用，這稱為雙聯(lián)單色儀或雙光柵單色儀。本實(shí)驗(yàn)所選選用的是一臺(tái)小型光柵單色儀，如圖 3 所示它所用的色散元件是一個(gè)凹面光柵。當(dāng)光柵 G 繞

7、其軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于光柵的衍射效應(yīng)，出射狹縫 S2 處所對(duì)應(yīng)餓波長(zhǎng)也隨之變化，從而使探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得入射輻射 中不同步長(zhǎng)成分的強(qiáng)度 即得到入射輻射的光譜。 光柵 G 由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)及相 應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)由一個(gè)控制器 凹面光柵單色儀控制器控制。使 用時(shí)通過控制器面板上的指輪開關(guān)設(shè)置好波長(zhǎng)范圍后，把選擇開關(guān)撥向“工作” 檔即可。4、探測(cè)記錄裝置光譜測(cè)量中一般選擇光電倍增管作探測(cè)器。 本裝置采用華東電子管場(chǎng)生產(chǎn)的 GDB-510型光電倍增管。 從光電倍增管出來的信號(hào)一般是比較弱的， 需要經(jīng)過放 大才能送給記錄裝置， 本實(shí)驗(yàn)采用光子計(jì)數(shù)器作為放大器。 光子計(jì)數(shù)器是通過對(duì) 光電倍增管來的電脈沖進(jìn)行累積

8、計(jì)數(shù)而達(dá)到放大作用的。 經(jīng)過放大的信號(hào)送到記錄裝置 X-T記錄儀，從而記下所測(cè)光譜。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、用瑞利線校正單色儀讀數(shù)（注意避免瑞利線直接進(jìn)入系統(tǒng)） 。2、畫出 CCl4（液體）在 600 660nm范圍內(nèi)的拉曼光譜，并精確標(biāo)定譜峰位置。3、求出上述范圍內(nèi)的拉曼位移（用 cm 1 表示）。4、拉曼譜線的偏振特性（選做） 。實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng) 全部實(shí)驗(yàn)步驟自己擬定，必要時(shí)可與教員討論。總的要求：1、結(jié)合實(shí)物進(jìn)一步熟悉各儀器設(shè)備的具體操作；2、結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求及各儀器的具體條件，考慮實(shí)驗(yàn)中各儀器應(yīng)設(shè)置的工作狀態(tài)；3、結(jié)合上述兩部分的考慮，擬定具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟，經(jīng)教員認(rèn)可后方可進(jìn)行 正式實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中有幾件事項(xiàng)要特別注意：1、 實(shí)驗(yàn)中眼睛不能正對(duì)著任何激光束！2、光電倍增管接上高電壓后，絕對(duì)不能曝光，以免燒毀光電倍增管。思考題 1、 要使光線改變 90 度，除了本實(shí)驗(yàn)中的平面反射鏡外， 還可用什么光學(xué)元件？ 并作一比較。2、 光柵光譜和棱鏡光譜各有什么特點(diǎn)？光柵和棱鏡哪個(gè)分辨率高？它們的分 辨本領(lǐng)與波長(zhǎng)的關(guān)系怎樣？參考書 1、G.Turrell.Infrared and Raman Spect