四氯化碳的拉曼光谱及其退偏度 相关实验
不同浓度比 CCl 拉曼光谱线强度的变化拉曼光谱线强度的变化拉曼
不同浓度比CCl拉曼光谱线强度的变化422系殷振宇PB04203047 本试验将原来测纯样品的实验稍做改动,让两种样品按不同浓度比混合,再来测混合液的拉曼光谱,观察其中谱线的出现与消失,以及谱线强度的变化,并试图找出强度变化与浓度之间的关系。
CCl不同浓度时各条谱线强度的变化(没有数据的为该谱线已经读不出了):4性缓慢变化,当配液前体积比超过0.7时,有指数上升趋势(波长537.9nm)。
CCl的拉曼光谱数据不是我们测出来的,而是从但是由于实验时间有限,纯4电脑里取自以前其他人所存数据,实验条件和我们不同,所以纯CCl谱线强度4较其他浓度时很大不能判断是客观上确实存在还是不同操作者在不同操作条件下造成的,要判断拟和曲线后面是否存在指数上升关系,必须浓度比0.7―1之CCl的间再做几组实验,而本实验中没有这步操作,故舍去最后一组数据(即纯4数据),只讨论浓度0.7之前谱线强度与浓度的关系。
各谱线强度与浓度作直线拟合后斜率的大小:519.0 523.3 525.8 537.9 541.0 545.21766.9 1693.35 2001.15 5573.5 6674.2 11064.1发现前面还有规律可寻,到了斯托克斯线波段,斜率增大的非常快。
作斜率随波长的变化曲线:可以看出也有指数关系。
如此看似乎谱线强度的变化不紧与浓度相关,还与谱线本身相关,特别是斯托克斯线,谱线波长越大,其强度随浓度的变化越大。
故我们可以说,(浓度小于0.7时)拉曼光谱的强度与浓度成线性变化,但对于不同的谱线,其变化率是不同的,波长越大,即变化率越大,所以斯托克斯线对浓度的敏感性要高于反斯托克斯线。
我们可以利用这一特性来测量混合液中CCl浓度的微小变化,当然要利用的是斯托克斯线。
4实验中存在的误差:1.首先,样品液混合配比时由于没有好耗的清洗工具,以及时间较少清洗过程中做不到完全烘干,所以混合液中不可避免的会有水气、乙醇等杂质和一些气泡。
四氯化碳的拉曼光谱研究
四氯化碳的拉曼光谱研究摘 要:本文以波长为532nm 的半导体激光器作为光源,研究了CCl 4液体样品分子的拉曼光谱。
测量得到了其四个简振模式的波长。
同时测量得到了各模式对应谱线在垂直与平行于偏振面方向的退偏度的大小。
关键词:拉曼散射光谱 单色仪 感应电偶极矩退偏度一、 引言拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。
以分子为例,拉曼线的数目、频移值大小和谱线强度直接与样品的振动和转动能级有关,而且从拉曼线的线宽测量还可以提供有关能级寿命的信息,因此,利用拉曼散射光谱可以研究分子中原子的空间排列和相互作用。
20世纪60年代激光问世,由于极高的单色亮度,它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。
它产生的拉曼谱线极强,再加上采用双联单色仪和三联单色仪等分光系统大大抑制了背景噪声,并运用发展了的弱信号检测技术,导致了拉曼光谱学的复兴。
另一方面,仍然基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用,发展了共振拉曼、受激拉曼散射和相干反斯托克斯散射等新的实验技术和手段,不仅进一步提高了分析灵敏度,而且还开辟了一些新的研究领域。
二、 实验原理本实验仅考虑分子振动所引起的拉曼光谱。
首先介绍一下分子的振动机制,然后再说明分子振动与拉曼散射谱线的关系。
2.1 分子的振动由N 个原子组成的分子具有N 3个自由度。
在描述分子运动时,通常分解为分子质心的平动,分子整体的转动,以及各原子在其平衡点附近的振动,分子振动有自己的振动模式(简正模),不同的简正振动具有不同的“简正频率”,可以用“简正坐标”。
一个简正坐标对应于一种频率的简正振动。
2.2 分子的拉曼散射光谱不同的一个多原子分子振动时,总可以根据运动的分解与叠加原理把分子的复杂振动分解为由简正模所组成的简正振动。
当频率为0ω的光入射到分子上时,光的频率0ω与分子振动的简正频率k ω相互耦合,结果会产生新的光辐射的频率k ωω±0,这种光辐射就是拉曼光谱谱线中的(反)斯托克斯分量,而对于弹性散射的光子而言,其散射光的频率没有变化,这就是拉曼光谱中的瑞利谱线。
实验八激光拉曼光谱一、实验目的本实验主要通过记录CCl4分子的
实验八 激光拉曼光谱一、实验目的本实验主要通过记录CCl 4分子的振动拉曼谱,学习和了解拉曼散射的基本原理、拉曼光谱实验及分析方法。
二、实验原理当波数为0~v 的单色光入射到介质上时,除了被介质吸收、反射和透射外,总会有一部分光被散射。
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10-5cm -1,这类散射称为瑞利散射;第二类,其波数变化大约为0.1cm-1,称为布里渊散射;第三类是波数变化大于lcm -1的散射,称为拉曼散射;从散射光的强度看,瑞利散射最强,拉曼散射光最弱。
图1是用氩离子激光照射样品,用光电记录法得到的振动拉曼光谱。
其中最强的一支光谱0~v 和入射光的波数相同,是瑞利散射。
此外还有几对较弱的谱线对称地分布在0~v 两侧,其位移0~<∆v 的散线称为斯托克斯线,0~>∆v的散射线称为反斯托克斯射。
拉曼散射光谱具有以下明显的特征:图1 振动拉曼散射光谱1.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移v ~∆与入射光的波长无关;2.在以波数为变量的拉曼光谱图上,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧;3.一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。
拉曼散射的半径典量子解释按量子论的观点,频率为ω0的入射单色光可以看作是具有能量为 ω0的光子。
当光子与物质分子碰撞时有两种可能,一种是弹性碰撞,另一种是非弹性碰撞。
在弹性碰撞过程中,没有能量交换,光子只改变运动方向,这就是瑞利散射;而非弹性碰撞不仅改变运动方向,而且有能量交换,这就是拉曼散射。
处于基态E0的分子受到入射光子 ω0的激发跃迁到一受激虚态,而受激虚态是不稳定的,很快向低能级跃迁。
如果跃迁到基态E0,把吸收的能量 ω0以光子的形式释放出来,这就是弹性碰撞,为瑞利散射。
如果跃迁到电子基态中的某振动激发态E n上,则分子吸收部分能量 ωk,并释放出能量为 (ω0-ωk)的光子,这是非弹性碰撞,产生斯托克斯线。
拉曼光谱以及退偏度测量
3000
4
8
数值
2500 2000 1500 1000 500 0 0 500
5
3500 4000
1000
1500
2000
2500
3000
6 7
波数(cm-1)
多出的峰?
8
2941
-CH3非对称 收缩
甲醇乙醇混合溶液
25%甲醇浓液
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 300 1300 2300 3300
四氯化碳的退偏度
坐标变换中的不变量 1 ( xx yy zz ) 表征各项同性的物理量 3
2 1 2 ii jj 6 ij 表征极化率各项异性的物理量 2 i j i j
退偏度
注
3 2 ( ) S ( ) 2 2 45 2 4 2
453 ?
459 776
1.3% 0.7%
0 -1000
-500
0 500 波数差( cm-1 )
1000
1500
费米共振
在多原子分子中当振动倍频或组合 频位于某一基频附近,由于发生振动
3000 2500
耦合,会出现新峰,峰的位置向两侧发 生移动,二者谱线强度发生变化。
2000
数值
1500 1000 500
系列1 系列2
强度(I)
6000
4000
1
2000
0 0 500 1000
2
1500 2000 2500 3000 3500 4000
波数(cm-1)
拉曼光谱在有机化学上的应用
应用2
已知苯化学式为C6H6,试判断其结构。
四氯化碳乙醇和甲醇的拉曼光谱研究
四氯化碳乙醇和甲醇的拉曼光谱研究1四氯化碳, 乙醇和甲醇的拉曼光谱研究罗伟杰10. 引言:复旦大学物理系上海邯郸路 220号 200433摘要 : 本实验使用拉曼光谱仪, 获取四氯化碳, 无水乙醇和无水甲醇的拉曼光谱. 然后, 通过对拉曼光谱谱线的频移, 强度和偏振的分析, 确定化合物所含的化学键或基团种类, 及其振动模式, 同时介绍拉曼光谱分析的一般方法和技巧, 最后说明拉曼光谱在科学研究领域的应用价值关键词 : 拉曼光谱 Rayleigh 散射极化率张量振动能级四氯化碳无水乙醇无水甲醇中国分类: 文献标识码: 文章编号:光入射到介质中, 将会受到介质中的电子散射. 在其散射光光谱中, 频率等于入射光频率的谱线称为 Rayleigh散射谱线, 而频率不等于入射光频率的谱线称为拉曼散射谱线. 频移与分子的固有振动模式有关, 传递着分子实际的结构成分和对称性等信息. 拉曼谱线的强度非常微弱, 约为入射光强度的10?6, Rayleigh散射谱线强度的10?3, 所以需要使用强度高, 单色性好的激光作为入射光束, 才能观测到拉曼谱线1. 实验原理:1.1. 拉曼光谱的经典解释:按照经典电动力学, 分子在外电场??作用下产生感应电偶极矩当外电场??不太强时,感应电偶极矩??与外电场??满足:称为分子的电极化率张量,与分子的结构和取向有关, 并且是关于描述分子相对平衡位置作简谐振动的简正坐标Qi 的函数. 注: 约定分子只有振动, 而没有转动. 一般认为Qio很小, 可以将??对Qi作一阶的 Taylor展开:+?Qi?o Qii +Qi?o Qio cosωi t +φio i代入1式, 取入射光束为单色线偏振光: +Qi?o Qio cosωi t + φio i cosωt cosωt + 12Qi?o?Qio ?cos?ω ?ωit? φio?+ cos?ω +ωit + φio??i1作者简介: 罗伟杰1989-4-11, 男, 复旦大学物理系本科在读邮箱: 0830*******@//0>.1232振动着的电偶极矩??往外发射电磁波, 3式中每一个简谐项均对应拉曼光谱中一条谱线ω0的谱线称为 Rayleigh散射谱线, ?ω?ωi的谱线称为 Stocks拉曼谱线, ?ω+ωi的谱线称为 Anti-Stocks拉曼谱线ω±ωi称为拉曼频移, 来自分子的固有振动频率, ωi的大小取决于原子的质量和原子之间的力常数等. 3式中, 系数Qi?o ≠ 0称为拉曼活性条件, 作为拉曼散射的"选择定则"1.2. 拉曼光谱的半经典量子力学解释:将分子的振动模式看作电子Hamilton 量的本证态, 并把对应的本证值作为"振动能级"使得电子在原来只有基态能级Eo的基础上, 额外增加了振动能级Eo +?ωi电子在基态时, 可以处于Eo , 或也可以处于Eo +?ωi , 并且布居数遵循Boltzmann分布. 还可以考虑"转动能级".注: 半经典是指对量子客体分析中使用了"转动", "振动", Boltzmann分布这些经典概念图1 拉曼光谱的半经典量子力学解释的能级图解电子吸收一个入射光子?ω, 会从基态跃迁到一个"实际不存在的虚能级"上, 便立即退激, 回到基态并且重新发射光子. 拉曼频移±ωi来自基态能级与振动能级之间的能量差注: 在跃迁概率的计算中, 涉及到 Hamilton量的微扰项 H'的矩阵元计算, 但是虚能级并不对应一个实际存在的量子态, 则该矩阵元又如何计算? 如何确定涉及虚能级的跃迁概率这时一般约定, 电子在各个振动能级受激, 或退激到各个振动能级的跃迁概率都是一样的可以看到拉曼光谱的半经典量子力学解释是比较粗糙的, 但却又是普遍流行的, 常见于各种教材和期刊中, 流行的原因是它引进了"振动能级"的概念, 使得关于拉曼频移的物理图像相当清晰, 而又让人熟悉1.3. 拉曼谱线的偏振特性:定义散射平面为入射光束与散射光束所在的平面. 设: 在偏振方向垂直于散射平面的线偏振光照射下, 散射光在平行于散射平面方向上的强度为 I‖⊥ , 在垂直于散射平面方向上的43强度为 I⊥⊥ , 定义退偏度ρ⊥为:ρ⊥π2? I‖π/2⊥I⊥π/2⊥注: 对于CCl4 ,ρ⊥ ?π2? 3γ245α2 + 4γ 2 34α为平均极化率, α 0时, 谱线为圆偏振光γ为各向异性率, γ 0时, 谱线为线偏振光. π/2为散射角2. 实验仪器和实验环境:拉曼光谱仪, 半导体激光器532nm, ≥40mW实验环境: 温度: 21.8℃, 湿度: 40.0%注: 拉曼光谱仪测量时, 可以选择波长模式/波数模式. 波数模式下, 软件内部预设: k ≡ 1532.0nm? 1λ ?γγ?o ?Δγ? 12πc ?ωk是有效波数差Δγ?的相反数, 而不是一般意义下的波数!!波长模式/波数模式下, 仪器的扫描只会往波长增大的方向扫描3. 实验光路调节:图2 拉曼光谱实验的正入射法部分光路图1. 适当调节样品管, 反射镜的位置与倾角, 使得激光光束与"柱形"样品管的轴心重合,并且激光光束的束腰位置位于样品管中心. 目的是让样品能够被激光光束充分照射, 获取尽可能多的散射光2. 适当调节光筒, 聚光镜 1, 物镜 1, 2的位置和倾角, 使得激光光束的束腰位置清晰成像于入射缝平面共两个像, 并且与入射缝中心重合. 目的是会聚散射光到探测系统中4. 实验数据的处理与分析:4.1?拉曼谱线的强度和频移:设置: 积分时间300ms, λ500nm~560nm, Δλ0.1nm, 阈值 24, 负高压 7, 波数模式654注: 入/出射缝的缝宽越小, 峰越尖细, 但峰的高度却越低. 反之则相反. 适当调节入/出射缝的缝宽, 使得峰尖锐且明显, 但又不至于被噪声或本底淹没即可图3的拉曼光谱波数模式Δγ?0的谱线为 Stocks拉曼谱线, 对应图3右边的 1' ~ 5' 峰. Δγ?0的谱线为 Rayleigh散射谱线, 对应图3中间的高峰. Δγ?0的谱线为 Anti-Stocks拉曼谱线, 对应图3左边的 1 ~ 5峰. 注: k ?Δγ图3中可以看到拉曼光谱是具有本底的, 本底不是由仪器引入的, 若关闭入射缝, 则拉曼光谱恒为 0. 如果不考虑环境的干扰, 本底是由分子的"转动能级"贡献. 与分立的"振动能级"不同的是, "转动能级"是准连续的. 如图3, 确定拉曼谱线的强度 I 时, 需要扣除本底注: 如果用经典电动力学解释, 本底是由分子极化率张量高阶展开项阶数≥2贡献的图3中可以看到峰是有一定展宽的, 因为"虚能级"具有一定寿命?t, 根据不确定性原理E*t≥?/2, 得到"自然展宽"?E. 若还考虑成像系统的像差, 峰的展宽必然比"自然展宽"大设: Δγ?0, 按照半经典量子力学解释, 可得 Stocks/Anti-Stocks拉曼谱线强度的比值为: ISIAS hcγ?o ?Δγ?gexp?0/kThcγ?o + Δγ?gexp?hc Δγ?/kT γ?o ?Δγ?γ?o + Δγ?exphcΔγ?/kTλo532nm, 则γ?o 18797cm?1, 而Δγ?218cm?1~776cm?1, T300K, 所以ISIAS ≈exphcΔγ?/kT 2.83~44.6 1即: Stocks拉曼谱线的强度要比相应的 Anti-Stocks拉曼谱线强! 如图3 考虑到拉曼光谱仪的零点在使用时间长了之后, 会发生偏移. 所以对Rayleigh散射谱线1 23451' 2'3'4'5'I675使用高斯函数拟合来确定拉曼光谱仪的零点, 如图3拟合结果为xo 33.2cm?1峰的序号n/n'简并度gk/cm?1-33.2k'/cm?1-33.2Δγ?/cm?1平均值Δγ?/cm?1参考值1 / 1'2 -794.2 778.2 786.2 7902 / 2' 1 -631.1 755.5 693.3 7623 / 3' 1 -463.3 458.8 461.1 4594 / 4' 3 -312.9 313.6 313.3 3145 / 5' 2 -222.3 217.8 220.1 218表1拉曼光谱波数模式的相关数据表表1可以看到, 1 / 1', 3 / 3', 4 / 4', 5 / 5'拉曼谱线相对于 Rayleigh散射谱线近似对称分布,除了 2 / 2'细心观察发现, 2峰偏离 1峰较远, 并形成"土包". 2' 峰则靠近 1' 峰, 近似合并1' 和 2' 峰原来是重合的, 对应一个 3重简并的能级, 但是经过简并微扰后, 简并出现部分破缺, 形成所谓费米共振能级, 而 1' 和 2' 峰则被称为费米共振拉曼谱线按照光谱分析学认为: 拉曼谱线的峰位相对于原来位置的偏移, 与分子沿该方向振动所受到的张力或应力改变有关, 张力或应力的改变来自分子整体构型, 也可能来自化学环境CCl4的结构具有高度对称性. 猜测: 张力或应力的改变来自化学环境, CCl4分子之间在分子极矩的作用下, 形成类似于"晶体"的有序排列结构, 导致分子沿不同方向振动所受到的张力或应力不同, 不仅导致原来 3重简并的峰被劈裂成 1, 2峰, 还导致了2峰位置发生偏移4.2?拉曼谱线的偏振特性: 如图2, 在刻度盘 1和 2上放入线偏振片. 设置刻度盘 2处的偏振片 2起偏器透振方向为垂直于散射平面. 使用软件的定点观测功能, 分别在各个谱线中心作定点观测, 慢慢转动刻度盘 1处的偏振片 1检偏器, 观测其强度变化, 同时记录强度有极大极小值时, 偏振片 1的透振方向结论 1. 在偏振方向垂直于散射平面的线偏振光照射下, CCl4的 Rayleigh 散射谱线是线偏振光, 偏振方向垂直于散射平面的结论 2. 在偏振方向垂直于散射平面的线偏振光照射下, CCl4的拉曼谱线:1 / 1', 2 / 2' 谱线为椭圆偏振光, 椭圆的长轴垂直于散射平面3 / 3' 谱线为线偏振光, 偏振方向垂直于散射平面4/ 4', 5 / 5' 谱线近似为圆偏振光为了获得CCl4拉曼谱线的退偏度ρ⊥π/2, 设置偏振片 1平行/垂直于散射平面, 分别获取一幅完整的拉曼光谱. 注: R o为拉曼谱线的本底, 通过本底的轮廓变化趋势近似获取6峰的序号 n极小强度 I‖π/2⊥ R-R 极大强度 o I⊥π/2⊥ R-R ρ⊥ ?π2? o 偏振特性1 /2 371.5 1227.5 0.303 椭圆偏振3 76.4 1199.1 0.064 线偏振4 576.0 775.2 0.743 圆偏振5 685.0 926.9 0.739 圆偏振5' 1652.5 2220.1 0.744 圆偏振4' 1774.4 2406.0 0.737 圆偏振3' 335.1 6651.1 0.050 线偏振1' / 2' 368.7 500.0 0.737 圆偏振!!表2拉曼谱线的偏振特性数据表4.3. 无水乙醇?的拉曼光谱分析:设置: 积分时间 1000ms, λ550nm~650nm, Δλ0.1nm, 阈值 32, 负高压 7, 波数模式图4 无水乙醇?的拉曼光谱波数模式峰的序号 n 频移 k/cm?1 k/cm?1-33.2 特征频率对应的振动模式1 901.5 868.3 CCO骨架伸缩振动2 1075.9 1042.7 CO伸缩振动3 1116.7 1083.5 CCO骨架变形振动4 1296.1 1262.9 CH2变形振动5 1478.0 1444.8 CH3变形振动6 2740.5 2707.3 CH2对称伸缩振动7 2901.3 2868.1 CH3对称伸缩振动8 2949.1 2915.9 CH2反对称伸缩振动9 2991.7 2958.5 CH3反对称伸缩振动表3 无水乙醇?拉曼光谱的相关数据表12 345678974.4. 无水甲醇?的拉曼光谱分析:图5 无水甲醇?的拉曼光谱波数模式峰的序号 n 频移 k/cm?1 k/cm?1-33.2 特征频率对应的振动模式1 782.2 749.0 CH 变形振动*2 1041.3 1008.1 CO伸缩振动3 1490.0 1456.8 CH3变形振动4 1758.3 1725.1 CO变形振动*5 2858.2 2825.0 CH3对称伸缩振动6 2974.2 2941.0 CH3反对称伸缩振动表4 无水甲醇?拉曼光谱的相关数据表注: 表3和表4中, 33.2cm?1是拉曼光谱仪在波数模式下的校正零点, 来自图3拟合结果. 而表中的"特征频率对应的振动模式"则来自光谱分析常用参考数据表拉曼光谱传递着 3个信息: 拉曼谱线的频移, 强度和偏振基团, 化学键, 和骨架等都有特定的振动模式. 如: 化学键的伸缩振动, 变形弯曲振动特定的振动模式振动状态对应特定的特征频率γ? i ωi/2πc 振动能级. 振动能级在拉曼光谱中表现为拉曼谱线. 特征频率γ?i在拉曼光谱中表现为拉曼谱线相对于 Rayleigh散射谱线的频移Δγ因此, 通过拉曼谱线的频移便可以确定分子包含的基团, 化学键和骨架种类特征频率γ?i可以通过"密度泛函+群论+光谱分析学"理论计算确定, 该项计算相当复杂,实验工作者一般是通过查表, 来获得拉曼频移与化学键种类, 及其振动模式之间的对应关系另外, 因为特征频率γ? i的理论计算结果都是带参数的, 如: 表征原子之间作用力强弱的"力常数", 其大小与分子的整体构型, 化学键的种类和化学环境有关. 所以, 同一化学键, 同1234568一振动模式, 在不同的分子中, 在不同温度, 压强, 混合比例或外场中, 将会有不同的特征频率γ?i因此, 特征频率γ?i在数据表中并不给出确定的值, 而常给出一个频率范围. 在实际情况中, 有时还可能会稍微偏离参考值或参考区域, 所以对照时需要灵活对照使用两块偏振片一个起偏, 一个检偏, 即可确定拉曼谱线的偏振特性. 偏振特性与化学键的振动方式在基团/分子中的对称性有关. 当特征频率刚好落在重叠的频率范围内时, 确定其谱线的偏振特性, 有利于区分特征频率对应的化学键种类, 及其振动模式还有, 如果已知各化学键对激光的散射概率, 则通过拉曼谱线的强度可以确定化学键的数量, 在分子中的相对比例5. 结论: 通过对拉曼谱线的频移, 强度和偏振作"静态分析", 可以方便快捷地分析出物质分子所含的化学键种类, 及其振动模式, 化学键数量在分子中的相对比例, 分子的整体构型和对称性等信息. 通过对拉曼谱线的频移, 强度和偏振作"动态分析", 如: 谱线向哪个方向偏移,偏移多少, 谱线强度的变化, 谱线的产生或湮灭等, 可以方便快捷地分析出物质分子在外场或外来物质的作用下, 构型如何变化, 特定化学键/基团的数量如何改变等规律. 因此, 拉曼光谱在科学研究领域具有重要的应用价值, 应该得到重视致谢:本实验的仪器和设备是由复旦物理实验教学中心提供在本实验开展期间, 得到了杨新菊教授的指导, 何俊同学的协助特此感谢参考文献:[1] 潘玉莲, 乙醇和甲醇混合溶液的拉曼光谱法研究, 大学物理实验, 2005年 12月第 4期[2] 近代物理实验补充讲义, 复旦物理实验教学中心提供[3] 戴道宣, 近代物理实验第二版, 高等教育出版社[4] 杨序纲, 拉曼光谱的分析与应用, 国防工业出版社[5] 张明生, 激光散射光谱学, 科学出版社。
激光拉曼光谱实验报告
激光拉曼光谱实验报告摘要:在本实验中,我们用半导体激光器泵浦的3Nd +:4YVO 晶体并倍频后得到的532nm 激光作为激发光源研究液体样品的4CCL 分子的拉曼光谱。
测量了4CCL 分子的拉曼光谱,并测量了各拉曼谱线的退偏度。
不同拉曼谱线的退偏度不同。
关键词:拉曼光谱,退偏度引言:1928年,印度物理学家拉曼(C.V.Raman )和克利希南(K.S.Krisman )实验发现,当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化,这种现象称为拉曼散射。
几乎与此同时,苏联物理学家兰斯别而格(ndsberg )和曼杰尔斯达姆(L.Mandelstamm )也在晶体石英样品中发现了类似现象。
在散射光谱中,频率与入射光频率0υ相同的成分称为瑞利散射,频率对称分布在0υ两侧的谱线或谱带01υυ±即为拉曼光谱,其中频率较小的成分01υυ-又称为斯托克斯线,频率较大的成分01υυ+又称为反斯托克斯线。
这种新的散射谱线与散射体中分子的震动和转动,或晶格的振动等有关。
拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。
拉曼谱线的数目,位移的大小,谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。
因此,与红外吸收光谱类似,对拉曼光谱的研究,也可以得到有关分子振动或转动的信息。
目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定,分子结构的研究谱线特征。
20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。
由于激光极高的单色亮度,它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。
而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用,发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。
拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。
它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析,无需样品准备,样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。
拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。
拉曼光谱实验报告
拉曼光谱实验报告戚嘉杰(151242034)∗南京大学匡亚明学院2018.05.25引言拉曼光谱是分子或者凝聚态物质的散射光谱。
如果光线射向透明物体,光与物体内的粒子发生碰撞时就产生了散射现象。
大部分的散射光子与入射光具有相同的频率。
具有不同频率的散射光现象就是拉曼散射。
拉曼散射是单色光与分子或者晶体物质发生非弹性散射的结果。
介质分子本身振动或转动造成入射光与介质分子之间交换能量,使得散射光频率发生改变。
于是研究拉曼光谱可以有效的研究分子结构分子振动能级。
拉曼光谱已经成为物质鉴定的有效手段。
1实验目的1.掌握掌握拉曼散射的基本原理,学会根据拉曼散射谱线辨别其简正模式2.掌握拉曼散射的实验技术2实验原理如果光线射向透明物体,光与物体内的粒子发生碰撞时就产生了散射现象。
大部分的散射光子与入射光具有相同的频率。
具有不同频率的散射光现象就是拉曼散射。
拉曼散射是最弱的,通常小于入射光的10−6。
实验得到的拉曼散射光谱图,其谱线有三个明显的特征:1.拉曼散射谱线波数随入射光波数变化而变化。
对同一样品同意拉曼线的波数差不变。
2.若以入射光波数为中心点,两边分别是斯托克斯线与反斯托克斯线。
3.一般情况下,斯托克斯线的强度大于反斯托克斯线。
2.1拉曼散射经典解释入射光作用下分子被诱导一个偶极矩,在入射光场不太强的情况下,感应电偶极矩P与入射光场E之间呈现线性关系:P=αE(1)∗电子邮件:151242034@在P 和E 不在同一方向的情况下α是一个3×3的对称矩阵,即a ij =a ji 。
如果分子中原子处于平衡位置附近振动,则分子的极化率将会发生改变。
当振动幅度不大时可以使用简谐振动来近似。
分子第k 个简正坐标可表示为Q k =Q k 0cos(ωk +φk )(2)此时a ij 将受到分子振动的微扰,它可用对简正坐标进行泰勒展开:a ij =(αij )0+ k ∂αij ∂Q k 0Q k +12 k, ∂2αij ∂Q k ∂Q 0Q k Q + (3)这样不难得知拉曼散射是同分子的某个振动模式中电极化率是否发生变化相关联的。
CCL4拉曼光谱特征-复旦大学[整理版]
CCL 4拉曼光谱特征苏雨聃 0830*******(复旦大学 光科学与工程系)摘要:实验研究了CCL 4拉曼光谱中的Stokes 和anti-Stokes 线系,记录了这两组线系的光谱强度,分析了CCL 4分子振动模式在拉曼光谱中的偏振特性以及温度对其光谱的理论强度的影响。
最后讨论了CCL 4费米共振拉曼光谱。
关键词:CCL 4拉曼光谱;退偏度;温度;费米共振引言:拉曼谱是以印度物理学家拉曼(Raman )命名的一种散射光谱.拉曼光谱对应于散射分子中的能级跃迁,为研究分子结构提供了重要手段。
本实验对CCL 4的拉曼光谱特性进行了研究。
实验原理:单色的光子与分子相互作用过程中可能发生弹性碰撞和非弹性碰撞.在弹性碰撞过程中,光子与分子之间没有能量交换,光子只改变运动方向而不改变频率(能量),例如瑞利散射.而在非弹性碰撞过程中,光子与分子之间发生能量交换,光子改变运动方向,同时光子的一部分能量传递给分子而改变了光子的频率,例如拉曼散射和布里渊散射.瑞利散射光没有波长的变化,而拉曼散射光则存在波长的变化.构成这些现象的原因,从经典理论来说,可以看做入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的.考虑一个各向同性分子,其电偶极矩p 可表达为:p E α= α为分子极化率对于分子振动,()r αα=,在其平衡位置展开到一阶项,对于分子的简谐振动cos(2)e v r r A v t π-=,所以0()()()cos(2)cos(2)e e r r v v v r r A v t v t rαααπααπ=∂=+=+∂.设入射光场为00cos(2)E E v t π=,将,()E r α带入p E α=得到:000000011cos(2)cos[2()]cos[2()]22v v v v p E v t E v v t E v v t απαπαπ=+-++上式中,第一项代表瑞利散射,其散射光的频率和入射光的频率一致;第二项代表拉曼散射中的反斯托克斯线,其散射光的频率比入射光小,频率的变化量和分子本身的振动频率v v 有关;第三项代表拉曼散射中的斯托克斯线,其散射光的频率比入射光大,频率的变化量同样和分子本身的振动频率v v 有关,这种因为极化率随着分子内部的运动(转动、振动等)而变化产生的散射就是拉曼散射.量子理论的基本观点是把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程.当入射的光量子与分子相碰撞时,可以是弹性碰撞的散射,也可以是非弹性碰撞的散射.在弹性碰撞过程中,光量子和分子均没有能量交换,于是它的频率保持恒定,这叫瑞利散射,在非弹性碰撞过程中光量子与分子有能量交换,光量子转移一部分能量给散射分子,或者从散射分子中吸收一部分能量,从而使它的频率发生变化.它取自或给以散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值,即12E E E ∆=-,当光量子把一部分能量交给分子时,光量子则以较小的频率散射出去.散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量,从而处于激发态1E 这时光量子的频率为0'v v v =-∆.当分子预先已经处于振动或转动的激发态1E 时,光量子则从散射分子中取得了能量E ∆ (振动或转动能量),以更大的频率散射,其频率为0'v v v =+∆这样则可以解释斯托克斯线和反斯托克斯线的产生了.●拉曼散射的偏振性.实际CCL 4分子的极化率是一个对称的二阶极化率张量:xx xy xz yx yy yz zx zy zz ααααααααα⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦对于不同的坐标系.极化率分量的值是不同的但是可以作出极化率分量的某些组台.不管坐标如何变化.这些组合量保持不变,称为极化率张量的不变量这种不变量有两个:1()3xx yy zz αααα=++;22222221[()()()6()]2xx yy xx yy zz xx xy yz zx γααααααααα=++++++++定义退偏度:当0s ρ=时,γ=0,说明散射光是完全偏振的;当34s ρ=时,α=0平均极化率为0,说明散射光是完全退偏的(入射平面偏振光,整体散射光是非完全偏振的,这一现象称为散射光的“退偏”“退偏度”就是描述退偏程度的物理量)。
CCl4分子振动拉曼散射光谱
CCl4分子振动拉曼散射光谱马珂鑫兰州大学2015级原子核物理专业摘要实验研究了CCl4拉曼光谱中的Stokes和anti-Stokes线系,记录了这两组线系的光谱强度,分析了CCl4分子的拉曼光谱。
关键词CCl4;拉曼光谱引言拉曼谱是以印度物理学家拉曼(C .V .Raman)命名的一种散射光谱。
拉曼光谱对应于散射分子中的能级跃迁,为研究分子结构提供了重要手段。
本文对CCl4的拉曼光谱进行了研究,获得了4条Stokes线以及4条anti-Stokes线,并进行了相关的讨论。
实验原理用光照介质,除去被介质吸收、反射和透射外,还有一部分光被介质散射。
散射光中大部分光的频率基本相同称为瑞利(RayLeigh)散射光,另一部分光频率不同于入射光频率,通常将其中Δν>1cm-1 的光称为拉曼(Raman)散射光,Δν<1cm-1 的光称为布里渊(Brillouin)散射光。
拉曼散射光的强度通常只为瑞利散射光的10-6~10-9。
单色光子与分子相互作用,可能发生弹性碰撞和非弹性碰撞。
弹性碰撞光子与分子无能量交换,光子只改变方向而不改变能量(频率)0光的波长也未改变,例如瑞利散射。
非弹性碰撞光子与分子发生能量交换,光子改变了运动方向,同时能量(频率)也改变了,光的波长也发生了变化,例如拉曼散射和布里渊散射。
从经典角度解释,可以看做入射光的电磁波使原子或分子电极化后产生的。
设空间中一分子,在频率为ω的光波作用下,感生出一个电偶极矩,在光波不是太强时,感生的电极矩大小与入射光的电场强度成正比。
即p=αij E式中αij为极化率张量,q n 若分子以ωn做简谐振动:αij= α0ij+∑α’ij q n,其中α’ij = ∂αij∂q n=q n0cosωn t;入射电磁波以圆频率ωL振荡:E j(t) = E0j cosωL t,则:一阶近似下,P i = αij E j = α0i E0cosωL t+E0∑α’ij q n0cosωn t∙cosωL t= α0i E0cosωL t + 1E0∑α’ij q n0[cos(ωL +ωn)t+cos(ωL−ωn)t]2上式第一项是在入射光诱导下出现的电偶极矩变化项,产生的辐射与入射光具有相同的频率,是瑞利散射光,为弹性散射;第二、三项是圆频率分别为(ωL±ωn)的振荡项,可视为入射光在介质中的诱导偶极矩受到分子振动的调制,前者为anti-Stokes线,后者为Stokes 线,为非弹性散射。
四氯化碳分子喇曼光谱退偏度的测量
由于 退 偏 度 的 表 达 式 与 导 出极 化 率 和 各 向异 性 率 , 关 ,而 导 出极 化 率 的 具 体 形 式 由 分 子 及 其 振 动 有
的 对 称 性 质 决 定 , 而退 偏 度 也 反 映 了分 子 及其 振 动 因 的 对 称 性 质 。通 过 测 量 退 偏 度 可 以直 接 判 断 散 射 光 的
2 实 验 方 案 的 选 取
平 面偏 振 光入 射 ( = I ( / ( ) / )L ) /
或 ( )/ ( I ( O _ I ) - - 4 9
式 () 1 的含 义 为 当入 射 光 为 自然 光 时 , 条 喇 曼 谱 线 的 某 退 偏度 是 散 射 光 偏 振 方 向平 行 散 射 面 与 垂 直 散 射 面 的 光 强之 比 。 同 理式 ( )3 表 明 当 入 射 光 为 平 面偏 振 光 2 () 时 , 量 退 偏 度 的方 法 有 两 种 , 条 谱 线 的退 偏 度 分别 测 各
化 , 入 了退 偏 度 的概 念 。其 具 体 定 义 为 : 引
自然 光 入 射 只( :I ( ) “/ / I( ) () 1 () 2
() 3
偏 振状 态 和 振 动 的 对 称 性 。 本 实 验 就 是 在 L S I 激 光 荧 光 光 谱 仪上 实 现 R 一1 型 测 量 C L 分 子 喇曼 谱 线 退 偏度 的 。 CJ 4
这 些 如 图 1 示 已 由仪 器 限 定 了 。 光 强 表示 法 r 所
是 以散 射 面 为基 准 面 , 和 s 别 表示 入 射 光 和 散 射 光 分 的偏 振 方 向相 对 于散 射 面 的取 向 。 如 在 图 1中,入 射 光 偏 振 方 向 分 别 取 垂 直 和平 行 散 射 面 方 向 时 , 表示 为 』 , 和 。
[精品]四氯化碳的拉曼光谱研究
[精品]四氯化碳的拉曼光谱研究四氯化碳的拉曼光谱研究拉曼光谱学是一种常用于化学、材料科学和生物学研究的技术。
拉曼光谱的原理是基于拉曼散射的物理现象,即当光在物质中传播时,会与物质的分子或原子相互作用,引发散射。
拉曼散射的特性与物质的分子结构有关,因此可以用来研究物质的化学结构和物理状态。
四氯化碳(CCl4)是一种常见的有机溶剂,具有高折射率、低挥发性和良好的溶解能力等特点,在化学、材料科学和生物学领域都有广泛的应用。
近年来,四氯化碳在光电器件、非线性光学材料和量子信息存储等领域也受到了人们的关注。
为了更好地理解四氯化碳的化学结构和物理状态,本文研究了四氯化碳的拉曼光谱。
在本文中,我们使用了532nm的激光作为激发光源,测量了四氯化碳在不同温度和不同气氛下的拉曼散射光谱。
通过对比不同条件下的光谱数据,我们可以深入探讨四氯化碳在不同环境下的分子振动和相互作用。
在常温常压下,四氯化碳的拉曼光谱主要表现为C-Cl键的振动模式。
通过对比不同温度下的光谱数据,我们发现随着温度的升高,四氯化碳的拉曼光谱强度逐渐增大,这是由于温度升高使得分子振动更加活跃。
此外,我们还发现当气氛中存在氧时,四氯化碳的拉曼光谱会发生明显的变化。
通过对比不同气氛下的光谱数据,我们发现氧气分子会与四氯化碳分子相互作用,影响其分子振动和光谱强度。
这些结果表明,拉曼光谱可以用来研究四氯化碳在不同环境下的化学结构和物理状态。
通过进一步研究四氯化碳在不同条件下的拉曼光谱,我们可以深入了解其分子振动和相互作用机制,为四氯化碳在化学、材料科学和生物学等领域的应用提供有益的信息。
本文还研究了四氯化碳在不同波长下的拉曼散射光谱。
在532nm的激光激发下,四氯化碳的拉曼散射光谱表现出明显的特征峰,其中最强峰位于约2900cm-1处。
通过改变激发光源的波长,我们发现四氯化碳的拉曼散射光谱也会发生变化。
在633nm的激光激发下,最强峰的位置发生了蓝移,约为2950cm-1。
四氯化碳的拉曼光谱及其退偏度 相关实验
表 3 CCl4 斯托克斯线的退偏度计算 振动 模式 E1 T2 A1 T1*
I I //
1239
1340
236
260
1558
1709
4608
326
理
论值
0.79
0.78
0.05
0.79
0.75
0.75
0
0.75
*取波数为 766cm-1 的峰计算 结语 本文根据拉曼光谱的相关理论,应用 LRS-III 型拉曼光谱仪,测量了 CCl4 的拉曼光 谱及其退偏度性质。 本实验获得的拉曼光谱 图以及退偏度和理论以及前人实验相符。 使 用简单的仪器和测量条件得到这样的结果, 说明拉曼光谱是一种简单有效的确定分子 结构和振动特性的方法, 还有更多的内容可 以在以后的实验中继续进行。
1
图 1 CCl4 的振动模式示意图 其中,A1 模式是指 C 原子不动,四个 Cl 原子沿与 C 原子连线方向振动;E1 模式 是指 C 不动,相邻的两对 Cl 原子在与 C 原 子连线或其垂直方向上做相反振动, 是二重 简并的;T1 模式是指四个 Cl 原子均做与 C 原子反向运动,由于是三维空间,故是三重 简并的; T2 模式是指任意两对 Cl 原子组合, 沿其连线做伸张和压缩运动, 同样是三重简 并的。 如果不考虑这些振动之间的耦合, 那么
四氯化碳的拉曼光谱
460.7 775.7
459 776
0.37% 0.04%
实验结果——四峰
3 4 2 1
费米共振
实验结果——激光谱线
实验结果——费米共振!
3 2 4
1
实验原理——偏振态与退偏度
实验方法
实验结果——失败
加上偏正片后光强过小,与本底难以区分 调节偏振片过程中引起振动,导致凹面镜移位 没有足够时间去重试
心得
调节光路遵循沿光路传播途径的原则
使用斜面替换样品管调节聚焦
轻轻敲击凹面镜调节聚焦 观察天花板判断激光是否过样品管中心 扩大波长范围防止偏移严重
ห้องสมุดไป่ตู้ 实验改进
样品配制操作规范化 仪器的稳定性 单色仪响应曲线
参考资料
1近代物理实验补充讲义.复旦物理实验教学中心. 2戴道宣.近代物理实验(第二版).高等教育出版社 3罗伟杰.四氯化碳, 乙醇和甲醇的拉曼光谱研究. 4高淑琴,等.四氯化碳费米共振的拉曼光谱研究.光谱学与光谱分析:Vol1 27 ,No110 ,pp204222044
5姜修允.拉曼光谱实验原理小教程
Sir Chandrasekhara Venkata Raman (1888 - 1970)
Thanks!
Question time
&
三重简并
实验仪器
港东科技LRS-III型激光拉曼仪
外光路系统+光栅光谱仪
实验仪器
CCl4样品 单色仪-计算机系统
激光 器
峰序号
相对误 差
a/a’
216.5/218.0 312.7/312.5 461.8/459.6 775.7
217.3
218
0.32%
四氯化碳的激光拉曼光谱
0.78
0.75
0.05
0
0.79
0.75
*取波数为766cm-1的峰计算
詹思维同学在实验的帮助和讨论 白翠琴老师的实验指导
詹思维同学在实验的帮助和讨论 白翠琴老师的实验指导
fychalmersseoldusersbrodinmolecularmotionsccl4modeshtmlccl4的拉曼光谱瑞利散射ccl4的拉曼光谱瑞利散射ccl4的拉曼光谱斯托克斯反斯托克斯序号实验峰波数cm1说明理论值4597a1反斯托克斯4583089t2反斯托克斯3142180e1反斯托克斯2182200e1斯托克斯2183093t2斯托克斯3144585a1斯托克斯4587400t1斯托克斯776107660t1斯托克斯776对一个多分子体系各个分子的空间取向不同且无规则分布因此即使入射平面偏振光整体散射光是非完全偏振的这一现象称为散射对一个多分子体系各个分子的空间取向不同且无规则分布因此即使入射平面偏振光整体散射光是非完全偏振的这一现象称为散射振动模式e1t2a1t112391340236260i90155817094608326079078005079理论值075075075取波数为766cm1的峰计算
激光拉曼光谱的优点
亮度高 准直性好
A1 458cm -1
E1 214cm -1
T1 776cm -1
T2 314cm -1
http://fy.chalmers.se/OLDUSERS/brodin/MolecularMotions/CCl4modes.html
CCl4的拉曼光谱
退偏度
对一个多分子体系,各个分子的空间取向不同,
且无规则分布,因此即使入射平面偏振光,整 体散射光是非完全偏振的,这一现象称为散射 光的“退偏”。
拉曼光谱实验
嘉应学院物理系近代物理学生实验报告实验项目:实验地点:班级:姓名:座号: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011λλν-=∆ (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:)2/(sin 420απφφNHL S k k =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 );S k —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; α—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E P α= α被称为分子极化率。
在一级近似中α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=E 0cos2πυt ,则vt E P πα2cos 0=(7.14.3) 如果认为分子极化率α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α0,另一部分是以各种简正频率为代表的分子振动对α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t v n n πααα2cos 0∑+=(7.14.4) 式中,n α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。
四氯化碳的拉曼光谱 (2)
四氯化碳的拉曼光谱1. 简介四氯化碳(Carbon Tetrachloride,简称CCl4)是一种无色、无味、无燃点的液体,化学式为CCl4。
四氯化碳是一种常见的有机溶剂,在化学工业和实验室中广泛应用。
此外,四氯化碳还具有一定的毒性,对人体健康有潜在的危害。
拉曼光谱是一种基于分子的振动和转动引起的光子散射的技术。
通过研究物质的拉曼光谱,可以获得关于分子结构和化学键信息。
本文将探讨四氯化碳的拉曼光谱,包括其特征峰以及应用。
2. 四氯化碳的拉曼光谱特征四氯化碳的拉曼光谱是通过激光照射样品而获得的。
四氯化碳的拉曼光谱具有一系列特征峰,用于识别样品中存在的四氯化碳分子。
2.1 强度峰四氯化碳的拉曼光谱中存在两个强度峰,分别位于650 cm-1和1260 cm-1。
这些峰的出现是由于四氯化碳分子内部的振动引起的。
650 cm-1的峰用于识别四氯化碳分子的存在,而1260 cm-1的峰则表明四氯化碳分子中碳和氯之间的化学键。
2.2 弱度峰除了强度峰之外,四氯化碳的拉曼光谱还包含一些弱度峰,这些峰的出现与四氯化碳分子的结构和化学键有关。
例如,1310 cm-1的峰可用于确定四氯化碳分子的对称性。
3. 四氯化碳的应用四氯化碳作为一种重要的有机溶剂,在工业和实验室中具有广泛的应用。
下面是四氯化碳的一些常见应用:3.1 溶剂四氯化碳作为一种极性溶剂,可用于溶解一些不溶于水的化合物。
在化学合成和实验室实验中,四氯化碳常用作有机反应的溶剂。
3.2 清洗剂四氯化碳具有良好的溶解能力和脂溶性,常用于清洗金属表面和电子器件。
然而,由于其毒性和致癌性,使用四氯化碳作为清洗剂已经被禁止或限制。
3.3 非挥发性润滑剂四氯化碳的低挥发性使其成为一种理想的非挥发性润滑剂。
它可以在高温下保持润滑性能,对于一些高温、高压的润滑要求非常重要。
3.4 气相色谱法检测四氯化碳可用作气相色谱检测器的填充物,用于检测其他化合物的存在和浓度。
通过监测四氯化碳在气相色谱柱中的拉曼光谱,可以确定其他化合物的种类和浓度。
CCl4的拉曼光谱研究
CCl4的拉曼光谱研究CCl4的拉曼光谱研究徐旭坤0830*******(复旦⼤学物理系物理实验中⼼,上海200433)摘要(Abstract):本实验利⽤LRS-II 型激光拉曼仪,在理论值间的相对误差⼩于1%的精度下测量了CCl4分⼦的拉曼光谱,并针对实验中观察到的⼀些现象进⾏了解释。
1 引⾔(Introduction)拉曼光谱是以印度物理学家拉曼(C.V.Raman)命名的⼀种散射光谱.拉曼光谱对应于散射分⼦中的能级跃迁,是研究分⼦结构的重要⼿段。
20世纪60年代初出现的激光技术,更是使拉曼光谱的研究有了长⾜的发展,被⼴泛地应⽤于物理、化学、分⼦⽣物学等各个领域.本⽂对利⽤LRS-II 型激光拉曼仪对CCl4的拉曼光谱进⾏了研究,希望通过对CCl4的斯托克斯(Stokes)谱线和反斯托克斯(Anti-Stokes)谱线的观察和测量加深对物质结构的理解。
2实验原理(Theoretical Background)2.1拉曼散射当光通过介质时,除被介质吸收、反射和投射外,总有⼀部分被散射。
散射的本质是⼴传播时光与物质中的分⼦或原⼦相互作⽤的结果。
散射光按频率可⼤致分为两类。
第⼀类,散射光频率与⼊射光频率基本相同,波数变化⼩于10-5cm-1,这类散射称为瑞利(Ray Leigh)散射;第⼆类,散射光频率与⼊射光频率有较⼤差别,波数变化⼤于1cm-1,这类散射称为拉曼(Raman)散射。
拉曼散射是由物质中分⼦的振动、转动、晶格的振动及各种激发元参与的⾮弹性散射引起的。
其散射光波数若⼩于⼊射光波数,称为斯托克斯拉曼散射,若散射光波数若⼤于⼊射光波数,则称为反斯托克斯拉曼散射。
波数的差别源于体系的初态能级和末态能级的不同,具体可参考FIG. 1.(a)(b)FIG. 1. 光散射的半径点量⼦解释⽰意图(a)瑞利散射(b)斯托克斯拉曼散射(左)和反斯托克斯拉曼散射(右)4CCl4分⼦由⼀个碳原⼦和四个氯原⼦构成正四⾯体结构,碳原⼦位于正四⾯体中⼼,四个氯原⼦位于正四⾯体的四个顶点。
数字温度计的设计和制作
葛星晨 2013-6-26
四氯化碳的拉曼散射图
葛星晨 2013-6-26
从图中可以得到什么?
10 • 瑞利散射峰量级: 6
• 拉曼散射峰量级:103
• 拉曼散射强度大约是
瑞利散射的
1
1000
葛星晨 2013-6-26
从图中还能发现什么?
葛星晨 2013-6-26
实验光路图
葛星晨 2013-6-26
实验方法
• 观察四氯化碳的拉曼散射图像,研究其性质。 • 在入射缝前加上偏振片,研究拉曼散射谱线的偏
正特性,从而研究不同四氯化碳分子振动模式的 对称性。
葛星晨 2013-6-26
实验条件与不变参数
• 暗室。 • 单色仪入射缝零点定标:1.03mm • 单色仪出射缝零点定标:0.13mm • 入射缝位置:1.10mm • 出射缝位置:0.45mm • 试验参数设置:
•
定义退偏度:
I平行
I垂直
• 同时用微商极化率可推出:
3 2 45 2
4
2
葛星晨 2013-6-26
四氯化碳的振动模式
• 5个原子构成分子9个简正振动方式(3N-6) • 按能量归为四类:
葛星晨 2013-6-26
为什么要研究拉曼散射?
• 区分不同物质:甲醇or乙醇?宝石or人造石头? • 退偏度:研究分子对称性质
对该实验的感想
• 想要得到好的图像,必须做到:
1.持之以恒地调节光路 2.锲而不舍地调整入射缝与出射缝大小 3.精益求精地配置样品 4.相信做到这些一定可以成功
葛星晨 2013-6-26
ccl4拉曼光谱标准值
ccl4拉曼光谱标准值CCL4拉曼光谱标准值。
CCL4,即四氯化碳,是一种常见的有机化合物,具有许多重要的工业和实验室应用。
在化学研究中,拉曼光谱是一种非常重要的分析技术,可以通过分子的振动和旋转信息来确定化合物的结构和成分。
因此,了解CCL4的拉曼光谱标准值对于相关研究和应用具有重要意义。
CCL4的拉曼光谱通常在液体状态下进行测定。
在拉曼光谱图上,CCL4的特征峰主要集中在400-1600 cm-1的波数范围内。
其中,最显著的特征峰包括约320 cm-1处的对称伸缩振动峰、约600 cm-1处的对称弯曲振动峰、约740 cm-1处的非对称伸缩振动峰以及约1060 cm-1处的C-Cl伸缩振动峰。
这些特征峰的位置和强度是CCL4拉曼光谱的标准值,可以作为该化合物的指纹,用于鉴定和定量分析。
除了上述主要特征峰外,CCL4的拉曼光谱图还可能包含一些次要特征峰,如C-H伸缩振动峰和C-Cl-C弯曲振动峰等。
这些次要特征峰的位置和强度也可以提供额外的结构信息,有助于全面理解CCL4的拉曼光谱特征。
在实际应用中,CCL4的拉曼光谱标准值可以用于验证实验结果、比对样品特征和质量控制等方面。
通过与标准值进行对比,可以准确判断样品中CCL4的存在和含量,确保实验数据的可靠性和准确性。
此外,CCL4的拉曼光谱标准值也为相关研究提供了重要的参考依据,有助于推动相关领域的发展和进步。
总的来说,CCL4的拉曼光谱标准值是化学研究和实际应用中的重要参考数据,具有重要的理论和实践意义。
准确把握CCL4的拉曼光谱特征,对于相关领域的科研工作者和实验人员具有重要的指导作用。
希望本文所述内容能够对CCL4的拉曼光谱研究和应用提供一定的参考价值,促进相关领域的发展和进步。
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图 1 CCl4 的振动模式示意图 其中,A1 模式是指 C 原子不动,四个 Cl 原子沿与 C 原子连线方向振动;E1 模式 是指 C 不动,相邻的两对 Cl 原子在与 C 原 子连线或其垂直方向上做相反振动, 是二重 简并的;T1 模式是指四个 Cl 原子均做与 C 原子反向运动,由于是三维空间,故是三重 简并的; T2 模式是指任意两对 Cl 原子组合, 沿其连线做伸张和压缩运动, 同样是三重简 并的。 如果不考虑这些振动之间的耦合, 那么
2
和 来表示。 表示的是平均极化率,是
“平均”极化的度量,相应的 是各向异性 率,表示的是各向异化的度量。如果振动是 完全对称的,那么 为零,如果振动是完全 不对称的,那么 为零。 从参考文献 1 中可以知道对于 CCl4 的不 同振动的退偏度为:
波数绝对值/cm-1 458 218 776 314
I I //
(1)
其中上标的平行于垂直符号表示的是 散射光偏振片与散射平面的关系。 为了描述一个振动是否对称, 可以使用 图 2 CCl4 的拉曼光谱 从图中可以发现, 斯托克斯线从整体上 强度要比反斯托克斯线强。 从参考资料中找 到 CCl4 各峰的理论值, 和我们实验的数据对 比,见表 2。 表 2 拉曼散射峰位置 (a)理论值 振动类型 A1 E1 (2) T1 T2 具体的数值见表 1。 表 1 CCl4 各振动模式的退偏度理论值 振动模式 A1 T1/T2/E1 3. 3.1. 实验数据 CCl4 的拉曼光谱 我们使用的激光波长为 532nm, 选择合 适的参数, 我们测得了 CCl4 的激光拉曼光谱, 如图 2。图中央波数为 0 处的很高的峰为瑞 利散射峰,其强度大约为其他拉曼峰的 100
1
在拉曼光谱中共能找到对称的四对峰。 分别 对应着四种振动模式的斯托克斯线和反斯 托克斯线。 2.3. 拉曼散射的退偏度 在拉曼散射中, 当电磁波与分子与系统 作用时,电磁波的偏振状态常常改变,这种 现象叫做退偏。 退偏度衡量了分子振动的对 称程度。在本实验中定义为 1:
倍,在图中已经无法显示完全。以瑞利散射 峰为中心,两侧对称的出现了三组拉曼峰。 此外还有一些不对称的拉曼峰。
可以看出, 对于对称出现的三组拉曼峰, 除了 E1 振动的拉曼峰位置有约 2%的误差外, 其他的均在 5‰以下。 但是我们没有找到 T1 振动的反斯托克斯峰, 其斯托克斯线也分裂 为两个峰。这可能是由于耦合造成的,在其 它文献中也发现了类似的现象3。 3.2. CCl4 拉曼光谱的退偏度 为了进一步研究 CCl4 振动的偏振特性, 测量了加入偏振片后的拉曼光谱。 本实验仪 器使用的激光为偏振光, 我们分别使偏振片 的取向取为和散射平面平行和垂直。 进而计 算各谱线的退偏度。 由于拉曼光谱的对称性, 我们选择了信号较强的斯托克斯线。 使用多 项式拟合并去除本底后,得到图 3。 4.
5.
致谢 特别感谢我的实验搭档詹思维同学在
实验过程中的帮助和有益的讨论。
参考文献
1 李梁,邵磊,霍剑青,谈尔强.拉曼光谱退偏度
测量实验的设计及其应用的研究. 物理与工程, 2008,18(3) 2 复旦大学物理教学实验中心网站 3 王海燕,张仲秋,赵迎春,王明辉.拉曼光谱偏 振特性的研究.大学物理,2003,22(11) 3
1
作者信息:安克难,复旦大学物理系 07 级本科,学号 07300190055,实验组号周三 A8 实验合作者:詹思维
2
指导老师:白翠琴,复旦大学物理教学实验中心
1.
引言 印度科学家拉曼(C. V. Raman)在 1928
2.2.
CCl4 的结构和振动模式 CCl4 分子由一个碳原子和四个氯原子组
四氯化碳的拉曼光谱及其退偏度 相关实验
安克难1 白翠琴2 (上海市复旦大学物理系 上海 200433)
摘要:使用 LRS-III 型激光拉曼光谱仪得到了四氯化碳(CCl4)的激光拉曼光谱图。并 设计实验通过计算机处理数据得到退偏度,结果和理论值相比符合。从实验中了解 简单的通过拉曼光谱得到分子结构的方法,加深了对拉曼光谱技术的理解。 关键字:激光拉曼光谱,四氯化碳,退偏度,近代物理实验
表 3 CCl4 斯托克斯线的退偏度计算 振动 模式 E1 T2 A1 T1*
I I //
1239
1340
236
Байду номын сангаас
260
1558
1709
4608
326
理
论值
0.79
0.78
0.05
0.79
0.75
0.75
0
0.75
*取波数为 766cm-1 的峰计算 结语 本文根据拉曼光谱的相关理论,应用 LRS-III 型拉曼光谱仪,测量了 CCl4 的拉曼光 谱及其退偏度性质。 本实验获得的拉曼光谱 图以及退偏度和理论以及前人实验相符。 使 用简单的仪器和测量条件得到这样的结果, 说明拉曼光谱是一种简单有效的确定分子 结构和振动特性的方法, 还有更多的内容可 以在以后的实验中继续进行。
3 2 45a 2 4 2
(b) 实验拉曼散射峰的位置 退偏度 0 3/4 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 实验峰波数/cm-1 -673.4 -459.7 -308.9 -218.0 154.2 220.0 309.3 458.5 740.0 766.0 说明 A1 反斯托克斯 T2 反斯托克斯 E1 反斯托克斯 E1 斯托克斯 T2 斯托克斯 A1 斯托克斯 T1 斯托克斯 T1 斯托克斯
成,其空间构型为正四面体结构。碳原子位 于正四面体中心, 四个氯原子位于正四面体 的四个顶角。 CCl4 共有 9 种简正的振动模式,根据分 子的对称性,它们可以分为四类,在同一类 中各种振动的能量是相同的 1,振动的模式 见图 1。
年发现,物质在入射光的照射下,散射光除 了含有频率未变的光职位, 还含有相当弱的 有频率增减的光。 这些光携带着散射体结构 和状态的信息, 因此为研究分子结构提供了 一种很有效的手段 。特别是在激光技术发 展后, 拉曼光谱有了长足的进步和广泛的应 用。 本文利用 LRS-III 型激光拉曼光谱仪研究 了四氯化碳(CCl4)的激光拉曼光谱,分析 了谱线对应的振动形式, 并通过退偏度的分 析进一步了解了其结构的对称性, 经过实验 了解了拉曼光谱的原理, 并对使用拉曼光谱 分析分子结构的方法有了初步了解。 2. 2.1. 实验原理 拉曼散射的量子力学描述2 量子力学中,光被看成是光量子。当入 射的光量子和分子发生弹性碰撞时, 光量子 的能量不会改变,其频率保持恒定,这样的 散射被成为瑞利散射。 而当光量子与分子发 生非弹性碰撞时, 可能激发分子到一个振动 或者转动的能级, 这样出射的光量子的频率 就改变了,这种散射我们就成为拉曼散射。 如果在非弹性碰撞过程中, 光量子使分子达 到了更高的能级,即光量子能量降低(频率 降低,波数增加) ,就会在光谱上出现一根 斯托克斯线。反之,如果一个光量子碰撞后 吸收了分子由振动能级到基态的能量, 行程 的光谱线为反斯托克斯线。 我们知道,在热平衡条件下,各能级分 子数的分布满玻尔兹曼分布, 因此基态的分 子数要更多。 故在实验中斯托克斯线的强度 要比反斯托克斯线更强一些。
图 3 CCl4 斯托克斯线的退偏度 从图中可以看出,相对于 E1,T2,T1 三种不对称的振动,A1 振动的斯托克斯线 的退偏度很低。计算结果见表 3。 从表 3 中可以看出,对称的振动模式 A1 的退偏度几乎为 0, 其他的几个模式的退 偏度也和理论值 0.75 相差大约 6%,在误差 允许的范围之内, 也从另外一个角度说明了 前面对各谱线的鉴定,特别是第三个峰为 A1 振动是正确的。