近代物理实验 激光拉曼实验.doc

深圳大学实验报告

课程名称：近代物理实验
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实验报告提交时间：

一、实验目的
1、使学生了解拉曼光谱，掌握测试物质组分新技术；2、采用对照标准谱和不同物质谱，熟悉波速测量，提高专业仪器操作调整技能和细微差异辨析能力。二、实验原理：
1、当波束为的单色光入射到介质上时，除了被介质吸收、反射和透射外，总会有一部分被散射。按散射光相对于入射光波数的改变情况，可将散射光分为三类：第一类，其波数基本不变或变化小于，这类散射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为，称为布利源散射；第三类是波数变化大于的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。
在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。

2光子的散射是个吸收和再发射的复合过程.散射物质会从入射光子吸收部分能量,或把自身的部分能量加到入射光子身上去,再发射的光子便与原光子不相干,且形成新的谱结构。
补充说明：
第一,在vR<10cmˉ1的范围内,低分辨率的谱仪很难把瑞利线扣得足够低,需用高分辨率的法布里-珀罗干涉仪,又,引起在这区段散射谱的不是分子振动和转动,主要的是凝聚态内振动的声频支,这是1922年由布里渊提出的概念，因此这一谱段的散射被称为"布里渊散射",与拉曼散射不同。第二,与简单的线性拉曼效应对应的还有各种非线性的拉曼效应,如共振拉曼散射、超拉曼散射、受激拉曼散射、相干反斯托拉克拉曼散射......所谓"非线性",即初始的动因导致次级动因以至多级连动因果效应。如共振拉曼效应:激发光频率本身即与受激发的物质的固有发射频率相合或相近,外激发引起内共振吸收,再发射有二级动因加强。又如超拉曼效应:既已受一个外光子激发了的分子再接受第二个同样光子的激发。
拉曼散射的量子解释拉曼散射光强度随频率的分布构成的光谱称为拉曼光谱。由于拉曼散射光的强度很弱,有的只是入射光的10ˉ6-10ˉ7,因此要求用强度大且单色性好的光源,及高灵敏的探测器。激光可以产生一个窄的,单色的光，作为入射光源可以聚焦在很小的样品上。
拉曼散射的过程可以看作是光子和分子的非弹性散射,当光子射在分子上,和分子发生了相互作用.分子的量子态可能改变或保持不变.如果量子态没有变化,则散射光子与入射光子有相同的能量,就会出现在瑞利线中.如果量子态改变了,散射光子就可能有比入射光子大或小的能量.分子和光子的总能量是守恒的.力量子力学的观点可以把散射过程看作是,入射光子与散射物质分子的相互作用使处于基状态的分子跃迁到一个"虚"能态,然后退激发到某个激发态分子与入射光子的相互作用的结果是,入射光子把一部分能量交给了分子,使分子从原来的基态跃迁到激发态.
对拉曼光谱的测量得到如下实验结果:(1)对于频率为v0的入射光,观察到有频率为v1和v2的散射光：v1=v0-v′v2=v0+v′v1和v2对称地分布在v0线的两侧。与讨论分子的荧光谱类似,对v1的谱线称为斯托克斯(Stokes)线(有时又称作红伴线),v2称为反斯托克斯线(有时又称作紫伴线).(2)散射光频率与入射光频率的差称作拉曼位移(Ramanshif).拉曼位移只与散射物质分子有关,由散射物质的特性决定而与入射光的频率无关.因此,由拉曼散射的光谱可以获取分子的振动和转动能级有关的信息.(3)拉曼位移v′是散射分子的振动基频或转动频率.(4)斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比.当拉曼位移相应于振动能级的跃迁时,反斯托克斯线的强度比斯托克斯线的强度要弱很多.在一般情况下观察到的频率位移时候振动频率,因为转动频率很小,只有在高分辨率的仪器才能将瑞利线和转动谱线分开.由图可看到斯托克斯和反斯托克斯线等间隔地分布在瑞利的两边,这是由于它们相应于振动量子数增加或减小1.另外反斯托克斯线的强度比斯托克斯线要弱得多.红外光谱和拉曼光谱都能测量分子的振动光谱,但它们遵循不同的选择定则.对红外光谱,分子的电偶极距必须随振动而改变.所以,一些对称的异核分子如CO2,或同核双原子分子等非极性分子,它们都没有相应的红外吸收谱.但在拉曼谱中都能观察到相应的震动能级跃迁,这是由于在入射光的作用下,分子不仅感生电偶极距,且极化度随分子的运动(振动或转动)有变化。
三、实验仪器：
外光路结构图1、调节螺钉1；2、调节螺钉2；3、聚光镜1；4、螺钉1；5、凹波滤波片安装位置；6、调节螺钉3；7、螺钉2；8、物镜1；9、试管支架；10、调节螺钉4；11、物镜2；12、调节螺钉5；13、螺钉3；14、调节螺