拉曼光谱实验.doc

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嘉应学院物理系近代物理

学生实验报告

实验项目：
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实验时间：年月日

物理系编制

一，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。
二，实验原理：
频率为υ的单色光入射到透明的气体、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υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。△υ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（7.14.1）式中，λ和λ0分别为散射光和入射光的波长。△υ的单位为cm-1。
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正比：
式中φk—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（W）；φ0—入射光照射到样品上的光通量（W）；Sk—拉曼散射系数，约等于10-28~10-29mol/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，用P表示。极化强度正比于入射电场被称为分子极化率。在一级近似中被认为是一个常数，则P和E的方向相同。设入射光为频率υ的单色光，其电场强度E=E0cos2πυt，则（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，则它应由两部分组成：一部分是一个常数0，另一部分是以各种简正频率为代表的分子振动对贡献的总和，这些简正频率的贡献应随时间做周期性变化，所以（7.14.4）
式中，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体中声子散射频率。因此（7.14.5）
上式第一项产生的辐射与入射光具有相同的频率υ，因而是瑞利散射；第二项为包含有分子各振动频率信息υn在内的散射，其散射频率分别为（υ-υn）和（υ+υn），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7.14.2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）
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。

三，数据记录

四，数据处理

五，实验分析

六，思考题解答