激光拉曼光谱实验

1、拉曼散射是印度科学家 Raman在 1928年发现的，拉曼光谱因之得名。 光和媒质分子相互作用时 引起每个分子作受迫振动从而产生散射光，散射光的频率一般和入射光的频率相同，这种散射叫做 瑞利散射，由英国科学家瑞利于 1899年进行了研究。但当拉曼在他的实验室里用一个大透镜将太阳 光聚焦到一瓶苯的溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色，但是当光束进入溶液之后，除了入射的蓝光之 外，拉曼还观察到了很微弱的绿光。拉曼认为这是光与分子相互作用而产生的一种新频率的光谱带。因这一重大发现，拉曼于 1930年获诺贝尔奖。激光拉曼光谱是激光光谱学中的一个重要分支，应用十分广泛。如在化学方面应用于有机和无 机分析化学、生

2、物化学、石油化工、高分子化学、催化和环境科学、分子鉴定、分子结构等研究； 在物理学方面应用于开展新型激光器、产生超短脉冲、分子瞬态寿命研究等，此外在相干时间、固 体能谱方面也有广泛的应用。实验目的：1、掌握拉曼光谱仪的原理和使用方法；2、测四氯化碳的拉曼光谱，计算拉曼频移。实验重点：拉曼现象的产生原理及拉曼频移的计算实验难点：光路的调节实验原理：仪器结构及原理1、仪器的结构LRS-II激光拉曼/荧光光谱仪的总体结构如图12-4-1所示。2、单色仪图4-1剧曼债光光仅的站购水Jt图»1 12-4-2 出揑苗梅餡#亲團单色仪的光学结构如图 12-4-2所示。S为入射狭缝，M为准直镜，G为

3、平面衍射光栅，衍射光 束经成像物镜 M会聚，经平面镜 M反射直接照射到出射狭缝S上，在S2外侧有一光电倍增管 PMT当光谱仪的光栅转动时，光谱信号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、计 数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲线。3、激光器本实验采用50mW半导体激光器，该激光器输出的激光为偏振光。其操作步骤参照半导体激光器说明书。4、外光路系统外光路系统主要由激发光源半导体激光器、五 维可调样品支架 S、偏振组件Pl和P2以及聚光透镜 C 和C2等组成见图12-4-3 。激光器射出的激光束被 反射镜R反向后，照射到样品上。为了得到较强的激 发光，采用一聚光镜

4、C使激光聚焦，使在样品容器的 中央部位形成激光的束腰。为了增强效果，在容器的 另一侧放一凹面反射镜 M。凹面镜M可使样品在该侧 的散射光返回，最后由聚光镜C2把散射光会聚到单色仪的入射狭缝上。调节好外光路是获得拉曼光谱的关键，首先应使外光路与单色仪的内光路共轴。一般情况下， 它们都已调好并被固定在一个钢性台架上。可调的主要是激光照射在样品上的束腰，束腰应恰好被 成像在单色仪的狭缝上。是否处于最正确成像位置，可通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判 断。5、信号处理局部：光电倍增管将光信号变成电信号并进行信号放大，最后送入电脑显示系统，在电脑上显示出拉 曼光谱。拉曼光谱的特性:频率为u的单色光

5、入射到透明的气体、液体或固体材料上而产生光散射时，散射光中除了存在 入射光频率u外，还观察到频率为uu的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。u即为瑞利散射，频率 u + u称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为u - u的称为反斯托克斯线。 u通常称为拉曼频移，多用散射光波长的倒数表示，计算公式为A 1 17.14.1 / . / . 0式中，入和入°分别为散射光和入射光的波长。 u的单位为cm1。拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随 入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分 子的浓度成

6、正比：=0SkNHL4二 sin2： /2式中 $ k在垂直入射光束方向上通过聚焦镜所收集的喇曼散射光的通量W0。一入射光照射到样品上的光通量W;S拉曼散射系数，约等于10型10%mol/sr ;N单位体积内的分子数；H样品的有效体积；L考虑折射率和样品内场效应等因素影响的系数；:拉曼光束在聚焦透镜方向上的半角度。利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析和研 究。拉曼散射原理样品分子被入射光照射时，光电场使分子中的电荷分布周期性变化，产生一个交变的分子偶极 矩。偶极矩随时间变化二次辐射电磁波即形成光散射现象。单位体积内分子偶极矩的矢量和称为分 子的极化强度

7、，用 P表示。极化强度正比于入射电场P = : E( ):-被称为分子极化率。在一级近似中:-被认为是一个常数，那么 P和E的方向相同。设入射光为频率U的单色光，其电场强度E=Ecos2n U t，贝yP = : E0cos2 vt(7.14.3 )如果认为分子极化率:-由于各原子间的振动而与振动有关，那么它应由两局部组成：一局部是一个常 数0,另一局部是以各种简正频率为代表的分子振动对:奉献的总和，这些简正频率的奉献应随时间做周期性变化，所以:=：0 亠二:n COS2二Vnt( 7.14.4 )式中，n表示第n个简正振动频率，可以是分子的振动频率或转动频率，也可以是晶体中晶格的振动频率或固

8、体中声子散射频率。因此P = E0-：0 cos2二vt E0 二 n cos2二vt cos2 vnt1 (7.14.5 )=E0 二 0cos2 二 vtE0 二 ncos 2二(v - vn )t cos2 二(v vn)t2上式第一项产生的辐射与入射光具有相同的频率U ,因而是瑞利散射；第二项为包含有分子各振动频率信息U n在内的散射，其散射频率分别为(U - U n )和(U +u n)，前者为斯托克斯拉曼线，后者为反斯托克斯拉曼线。式(7.14.5 )是用一般的电磁学方法解释拉曼散射频率的产生的，但并不能给出拉曼谱线的强 度。能给出拉曼强度的分子被称为具有拉曼活性，但并不是任何分子

9、都具有拉曼活性，例如，具有 中心对称的分子就不是拉曼活性的，但却是红外活性的。因此，对拉曼散射的精确解释应该用量子 力学。依据量子力学，分子的状态用波函数表示，分子的能量为一些不连续的能级。入射光与分子 相互作用，使分子的一个或多个振动模式激发而产生振动能级间的跃迁，这一过程实际上是一个能 量的吸收和再辐射过程，只不过在散射中这两个过程几乎是同时发生的。再辐射(散射光)如图所示，可能有三种结果，分别对应斯托克斯线(图 7.14.2(a)、反斯托克斯线(图 7.14.2( b)和瑞利线(图7.14.2(c)。实验步骤：(请根据你的实际操作过程，充实补充下面的实验步骤，包括软件的操作详细过程)1、

10、将四氯化碳倒入液体池内，调整好外光路，注意将杂散光的成像对准单色仪的入射狭缝上， 并将狭缝开至0.1mm左右；2、启动LRS-II/III 应用软件；3、输入激光的波长；4、扫描数据；5、采集信息；6、测量数据；7、读取数据；8、寻峰；9、修正波长；10、计算拉曼频移。 实验数据：=532.6 nm= 519.9 nm2 = 523.7nm 3 = 526.3nm4 =538.8nm5 =541.6 nm6 =545.7nm数据处理：11111八1二 -458cmk-1532.6 nm519.5 nm二 21111=-319cm 亠扎'2532.6nm523.7 nm二 311111-224cm扎'3532.6 nm526.3nm二 41111-1=216cm'4532.6nm538.8nm丄 '- 51111二 312cm為532.6nm541.6 nm丄6_ 1111=450cm 4'6532.6n