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激光喇曼光谱激光喇曼光谱 背景 散射光按相对于入射光波数（1/）的改变情况，可 将散射光分为三类： 由某种散射中心(分子或尘埃粒子)引起，其 波数基本不变，这类散射称为米氏散射； 由入射光波场与介质内的弹性波发生相互作用 而产生的散射，其波数变化大约为0.1cm-1，称 为布里渊(Brillouin)散射；以上两类散射通常 难以分辨合称为瑞利散射。 波数变化大于lcm-1的散射，相当于分子转动、 振动能级和电子能级间跃迁范围，称为喇曼散 射。 第一类第一类 第二类第二类 第三类第三类 喇曼散射现象在实验上是1928年首先由印度科学家 喇曼(CVRaman)和前苏联科学家曼杰斯塔姆 (.-)发现的，因此称为喇曼散射。 散射光强： 米氏散射入射光强的10-310-5 喇曼散射 仅为入射光强的10-710-9 为了有效地记录到喇曼散射，要求有高强度的入射光 去照射样品。 氩离子激光照射四氯化碳样品，得到的喇曼光谱 原 理 频率为0的光波其电场强度可用下式表示 式中为极化率张量。一般来说，极化率是坐标的函数。 由分子振动所引起的极化率的变化，可以通过将极化率 的变化，可以通过将极化率张量的每一分量ij按简正 当这样一束单色光入射到分子上时，其分子内部电荷 将发生相应位移而引起分子极化，感生出电偶极矩P，它 与电场强度E的关系为 一、喇曼散射的经典理论 对于谐振性近似，只保留一级项，并且考虑某一个振 动简正模qk，则 坐标展开为如下的泰勒级数 在简谐振动条件下，qk的时间依赖关系为 得到 利用三角恒等变换，得 可知感生偶极子有三个不同的频率分量： 按经典辐射理论，它将有三种频率的电磁幅射： 喇曼位移只与分子自身的结构有关，而与入射光的 频率无关。 0产生与入射光同频率的散射 0+k分子振动的喇曼散射 0-k分子振动的喇曼散射 瑞利散射 反斯托克斯 斯托克斯 按量子论的观点，频率为0的入射单色光可以看作是 具有能量为0的光子。当光子与物质分子碰撞时有两 种可能： 二、喇曼散射的半径典量子解释 一种是弹性碰撞，没有能量交换， 光子只改变运动方向 另一种是非弹性碰撞，有能量交 换，光子改变运动方向 瑞利散射 喇曼散射 根据玻尔兹曼分布，在常温下，处于基态的分子 占绝大多数，所以通常斯托克斯线比反斯托克斯线 强很多，经典理论则不能正确解释这一现象。 光散射的半经典量子解释示意图 斯托克斯线 反斯托克斯线 瑞利散射 光强I左上标表示入射光电矢量与散射平面的关系，I的右 下标表示散射光的电矢量与散射平面的关系。 当电磁辐射与一系统相互作用时，偏振态常发生 变化，这种现象称为退偏。 三、喇曼散射的退偏度 在喇曼散射中，散射光的退偏往往与分子的对称 性有关。 散射平面 入射光传播方向和观测方向组成的平面 当入射光为平面偏振光，且偏振方向平行于散射 平面，而观测方向在散射平面内与入射光传播方向成 角时，定义退偏度为/()；当入射光偏振方向垂直 于散射平面时，定义退偏度()，即： 当入射光为自然光时，退偏度为 例如，入射光沿直角坐标的z 轴入射，沿y方向观测时，几 种退偏度的情况。 当入射光沿x轴方向偏振 时，散射平面为y-z平面，其 退偏度为 当入射光沿y方向偏振 时，退偏度为 当入射光为自然光 时，退偏度为 由理论计算可得，入射光为平面偏振光时 入射光为自然光时 为平均电极化率 的值在0和3/4之间， 完全退偏 为各向异性率 完全偏振 的值在0和6/7之间，这时散射光是 部分偏振光。 四、CCL4（四氯化碳）分子的对称结构及振动方式 CCL4分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四 面体的四个顶点，共有9种简正振动，除去简并，可归成四种 上面所说的“简并 ”，是指在同一类振 动中，虽然包含不 同的振动方式但具 有相同的能量，它 们在喇曼光谱中对 应同一条谱线。因 此，CCl4分子振动 喇曼光谱应有4个基 本谱线，根据实验 中测得各谱线的相 对强度依次为 实验内容 1先依次打开，喇曼光谱仪、计算机电源。 2打开激光器电源，打开LD开关，调节激光器电流到1A左右。 3根据说明书，参照仪器，搞清计算机喇曼光谱仪窗口，各个 开关的功能、扫描阈值。 4完整记录CCl4分子的振动喇曼光谱。 5在光谱图上标出各谱线的波间距及相对强度，根据它们的强 度差别，辨认各谱线所对应的简正振动类型。 6记录CCl4分子的振动喇曼偏振谱，求出各线的退偏比。 参考资料 1褚圣麟原子物理学北京：人民教育出版社，1979年 2史斌星量子物理北京：请华大学出版社，1982年 3吴思诫、王祖铨近代物理实验(2)北京：北京大学出版 社，1986年 (谭锡安编) 返 回 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