激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)

1、激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)拉曼散射是印度科學(xué)家Raman在1928年發(fā)現(xiàn)的，拉曼光譜因之得名。光和媒質(zhì)分子相互作用時(shí)引起每個(gè)分子作受迫振動從而產(chǎn)生散射光，散射光的頻率一般和入射光的頻率相同，這種散射叫做瑞利散射，由英國科學(xué)家瑞利于1899年進(jìn)行了研究。但當(dāng)拉曼在他的實(shí)驗(yàn)室里用一個(gè)大透鏡將太陽光聚焦到一瓶苯的溶液中，經(jīng)過濾光的陽光呈藍(lán)色，但是當(dāng)光束進(jìn)入溶液之后，除了入射的藍(lán)光之外，拉曼還觀察到了很微弱的綠光。拉曼認(rèn)為這是光與分子相互作用而產(chǎn)生的一種新頻率的光譜帶。因這一重大發(fā)現(xiàn)，拉曼于1930年獲諾貝爾獎。激光拉曼光譜是激光光譜學(xué)中的一個(gè)重要分支，應(yīng)用十分廣泛。如在化學(xué)方面應(yīng)用于有機(jī)和無機(jī)分析化學(xué)、生物化

2、學(xué)、石油化工、高分子化學(xué)、催化和環(huán)境科學(xué)、分子鑒定、分子結(jié)構(gòu)等研究；在物理學(xué)方面應(yīng)用于發(fā)展新型激光器、產(chǎn)生超短脈沖、分子瞬態(tài)壽命研究等，此外在相干時(shí)間、固體能譜方面也有廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握拉曼光譜儀的原理和使用方法； 2、測四氯化碳的拉曼光譜，計(jì)算拉曼頻移。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)：拉曼現(xiàn)象的產(chǎn)生原理及拉曼頻移的計(jì)算實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)：光路的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)原理：儀器結(jié)構(gòu)及原理1、儀器的結(jié)構(gòu)LRS-II激光拉曼/熒光光譜儀的總體結(jié)構(gòu)如圖12-4-1所示。2、單色儀單色儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖12-4-2所示。S1為入射狹縫，M1為準(zhǔn)直鏡，G為平面衍射光柵，衍射光束經(jīng)成像物鏡M2匯聚，經(jīng)平面鏡M3反射直接照射到出射狹縫S2上，

3、在S2外側(cè)有一光電倍增管PMT，當(dāng)光譜儀的光柵轉(zhuǎn)動時(shí)，光譜信號通過光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，并由光子計(jì)數(shù)器放大、計(jì)數(shù)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理，在顯示器的熒光屏上得到光譜的分布曲線。3、激光器本實(shí)驗(yàn)采用50mW半導(dǎo)體激光器，該激光器輸出的激光為偏振光。其操作步驟參照半導(dǎo)體激光器說明書。4、外光路系統(tǒng)外光路系統(tǒng)主要由激發(fā)光源（半導(dǎo)體激光器）、五維可調(diào)樣品支架S、偏振組件P1和P2以及聚光透鏡C1和C2等組成（見圖12-4-3）。激光器射出的激光束被反射鏡R反向后，照射到樣品上。為了得到較強(qiáng)的激發(fā)光，采用一聚光鏡C1使激光聚焦，使在樣品容器的中央部位形成激光的束腰。為了增強(qiáng)效果，在容器的另一側(cè)放一凹面反

4、射鏡M2。凹面鏡M2可使樣品在該側(cè)的散射光返回，最后由聚光鏡C2把散射光會聚到單色儀的入射狹縫上。調(diào)節(jié)好外光路是獲得拉曼光譜的關(guān)鍵，首先應(yīng)使外光路與單色儀的內(nèi)光路共軸。一般情況下，它們都已調(diào)好并被固定在一個(gè)鋼性臺架上?？烧{(diào)的主要是激光照射在樣品上的束腰，束腰應(yīng)恰好被成像在單色儀的狹縫上。是否處于最佳成像位置，可通過單色儀掃描出的某條拉曼譜線的強(qiáng)弱來判斷。5、信號處理部分：光電倍增管將光信號變成電信號并進(jìn)行信號放大，最后送入電腦顯示系統(tǒng)，在電腦上顯示出拉曼光譜。拉曼光譜的特性：頻率為的單色光入射到透明的氣體、液體或固體材料上而產(chǎn)生光散射時(shí)，散射光中除了存在入射光頻率外，還觀察到頻率為的新成分，這

5、種頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象就被稱為拉曼效應(yīng)。即為瑞利散射，頻率+稱為拉曼散射的斯托克斯線，頻率為-的稱為反斯托克斯線。通常稱為拉曼頻移，多用散射光波長的倒數(shù)表示，計(jì)算公式為 （）式中，和0分別為散射光和入射光的波長。的單位為cm-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轉(zhuǎn)動能級有關(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 k在垂直入射光束方向上通過聚焦鏡所收集的喇曼散射光的通量（W）；0入射光照射到樣品上的光通量（W）；Sk拉曼散射系數(shù)，約等于10-2810-29mol/sr；N單位體積內(nèi)的分子數(shù)；

6、H樣品的有效體積；L考慮折射率和樣品內(nèi)場效應(yīng)等因素影響的系數(shù)；拉曼光束在聚焦透鏡方向上的半角度。利用拉曼效應(yīng)及拉曼散射光與樣品分子的上述關(guān)系，可對物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和濃度進(jìn)行分析和研究。拉曼散射原理樣品分子被入射光照射時(shí)，光電場使分子中的電荷分布周期性變化，產(chǎn)生一個(gè)交變的分子偶極矩。偶極矩隨時(shí)間變化二次輻射電磁波即形成光散射現(xiàn)象。單位體積內(nèi)分子偶極矩的矢量和稱為分子的極化強(qiáng)度，用P表示。極化強(qiáng)度正比于入射電場 （）被稱為分子極化率。在一級近似中被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，則P和E的方向相同。設(shè)入射光為頻率的單色光，其電場強(qiáng)度E=E0cos2t，則 （）如果認(rèn)為分子極化率由于各原子間的振動而與振動有關(guān)，則它應(yīng)

7、由兩部分組成：一部分是一個(gè)常數(shù)0，另一部分是以各種簡正頻率為代表的分子振動對貢獻(xiàn)的總和，這些簡正頻率的貢獻(xiàn)應(yīng)隨時(shí)間做周期性變化，所以 （）式中，表示第n個(gè)簡正振動頻率，可以是分子的振動頻率或轉(zhuǎn)動頻率，也可以是晶體中晶格的振動頻率或固體中聲子散射頻率。因此 （）上式第一項(xiàng)產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率，因而是瑞利散射；第二項(xiàng)為包含有分子各振動頻率信息n在內(nèi)的散射，其散射頻率分別為（-n）和（+n），前者為斯托克斯拉曼線，后者為反斯托克斯拉曼線。式（實(shí)驗(yàn)步驟：（請根據(jù)你的實(shí)際操作過程，充實(shí)補(bǔ)充下面的實(shí)驗(yàn)步驟，包括軟件的操作詳細(xì)過程）1、將四氯化碳倒入液體池內(nèi)，調(diào)整好外光路，注意將雜散光的成像對準(zhǔn)單色儀的入射狹縫上，并將狹縫開至0.1mm左右；2、啟動LRS-II/III應(yīng)用軟件；3、輸入激光的波長；4、掃描數(shù)據(jù)；5、采集信息；6、測量數(shù)據(jù)；7、讀取數(shù)據(jù)；8、尋峰；9、修正波長；10、計(jì)算拉曼頻移。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 數(shù)據(jù)處理：實(shí)驗(yàn)總結(jié)： 本次拉曼光譜實(shí)驗(yàn)獲得了成功！通過該實(shí)驗(yàn)，懂得了拉曼光譜實(shí)驗(yàn)儀的基