激光喇曼光谱课件.ppt

1、背景背景 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。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1

2、0-710-9 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，得到的喇曼光谱原原 理理频率为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一、喇曼散射的经典理论tvcEE002cosEP 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lkkllkijk

3、kkijijijqqqqqq020021)(kkkqaaa0在简谐振动条件下，qk的时间依赖关系为tvcqtqqkkkkk2coscos00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：tvctvcEatvcEatvcEtvcqaaPkkkkk2cos2cos2cos2cos)2cos(000000000tvvcEatvcEaPkk)(2cos212cos00000)(200kkvvc002vc)(200kkvvctvvcEakk)(2cos2100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，而与入射光的喇曼位移只与分子自身的结构有关，而与入射光的频

4、率无关。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瑞利散射反斯托克斯反斯托克斯斯托克斯斯托克斯kvv 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瑞利散射喇曼散射喇曼散射 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斯托克斯线比反斯托克斯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

5、典量子解释示意图光散射的半经典量子解释示意图斯托克斯线斯托克斯线反斯托克斯线反斯托克斯线瑞利散射瑞利散射光强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，这种现象称为退偏退偏。三、喇曼散射的退偏度三、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：)()()(/II)(

6、)()(/II当入射光为自然光时，退偏度为)()()(/IInnn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)2/()2/()2/(xzII当入射光沿y方向偏振时，退偏度为)2/()2/()2/(/zxII当入射光为自然光时，退偏度为xzIInnn)2/(由理论计算可得，入射光为平面偏振光时222/4453)2/()2/(a入射光为自然光时 为平均电极化率2227456)2/(ana的值在0和3/4之间，完全退偏0a7/6)2/(n4/3)2/()2/(/00a为各向异性率0)2/()2/()2/(/n完全偏振

7、00a)2/(),2/(/)2/(n的值在0和6/7之间，这时散射光是部分偏振光。四、四、CCL4（四氯化碳）分子的对称结构及振动方式（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“简简并并”，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)()()()(4321vIvIvIvI 实验内容实验内容 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