文档介绍：振动喇曼光谱
喇曼散射是单色光对分子或晶体极化作用产生的一种非弹性散射,喇曼光谱揭示了分子或晶体的结构、组分、排列对称性以及相互作用的信息。喇曼散射现象在实验上首先由印度科学家喇曼于1928年()发现,但几乎在同时前苏联科学家曼杰斯塔姆和兰茨别尔格也发现了这一现象。喇曼由于这项成就,荣获了1930年诺贝尔物理学奖。
由于喇曼散射强度很弱,早先的喇曼光谱工作主要限于线性喇曼谱,在应用上以结构化学的分析工作居多。但是60年代激光技术的出现和接收技术的不断改进,喇曼光谱突破了原先的局限,获得了迅猛的发展。至今,喇曼光谱学在化学,物理学,地学和生命科学等各个方面已得到广泛的应用。
[实验目的]
了解喇曼散射基本原理和基本实验技术。
掌握LSR-Ⅲ型激光喇曼/荧光光谱仪的使用。
认识振动喇曼谱的主要特点及其与分子结构的联系。
[实验原理]
光照射介质时,除被介质吸收,反射和透射外,总有一部分被散射。散射光按频率可分成三类:散射光的频率与入射光的频率基本相同,频率变化小于,或者说波数变化小于,这类散射通常称为瑞利(Rayleigh)散射;第二类,散射光频率与入射光频率有较大差别,频率变化大于,或者说波数变化大于,这类散射就是喇曼(Raman)(Brillouin)散射。从散射的强度看,瑞利散射的强度最大,一般都在入射光强的10-3左右,常规喇曼散射的强度是最弱的,一般为入射光强的10-6。如果是入射光的波数,是散射光的波数,散射光与入射光的波数差定义为,那么,对于喇曼散射谱,的散射线称为红伴线或斯托克斯(Stokes)线;的散射线称为紫伴线或反斯托克斯线(anti-Stokes),另外,喇曼光谱在外观上有三个明显的特征:第一,对同一样品,同一喇曼线的波数差与入射光波长无关;其次,在以波数为变量的喇曼光谱图上,如果以入射光波数为中心点,则斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分列在入射光的两边。第三,一般情况下斯托克斯线的强度都大于反斯托克斯线。喇曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的反映,也是喇曼散射固有机制的体现。
在电磁辐射的经典理论的基础上来讨论光的散射问题,就能对光散射的固有机制有一个大致的了解。下面我们主要用经典的电偶极辐射理论讨论光散射问题。
一个频率为ω0的光入射到一个分子上,可以感应产生电偶极矩。在一级近似下,所产生的感应电偶极矩P与入射光波电场E的关系由下式表达:

式中,E为所加电场,α为极化率张量。入射光束电场E与时间的关系可表述为

式中E0为入射光束的电场振幅,ω0为入射光束的频率。综合上述两式,诱导偶极矩P可写成:

当频率很小时,在简正坐标下极化率用泰勒级数展开:
高次项
式中,为分子在平衡位置时的极化率,为平衡位置时极化率随简正坐标的变化。其中,高次项强度很弱,可以忽略。Q是时间的函数,在谐振子近似下可表达为:

式中,为分子的基频振动。因此极化率可表示为:
;
而诱导偶极矩P的表达式可写成:

将上式用三角函数展开,可得出:

最后我们得到由外场E感应产生的偶极矩P可简单地表示为:

根据上面的结果,我们可以看到:
根据经典的偶极辐射理论导出的表达式中同时存在三个感应振荡偶