高分子材料表征第五章激光拉曼光谱法
拉曼光谱与材料表征
拉曼光谱与材料表征拉曼光谱是一种基于拉曼散射现象的光谱分析技术，被广泛应用于材料科学领域的表征和研究中。
它通过测量材料与入射激光相互作用后产生的散射光频移，提供了关于材料结构和化学成分的有价值信息。
本文将介绍拉曼光谱及其在材料表征中的应用。
一、拉曼散射现象拉曼散射是一种光与物质相互作用后发生的散射现象。
当入射光与物质相互作用时，部分光子的能量发生改变，产生频移。
根据拉曼效应的不同来源，拉曼散射可分为斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。
斯托克斯拉曼散射是指光子的频率减小，而反斯托克斯拉曼散射是指光子的频率增加。
通过测量这些频移，可以得到材料的结构和成分信息。
二、拉曼光谱仪及其原理拉曼光谱仪是用于测量样品拉曼光谱的仪器。
它主要包括一个激光器、一个单色仪、一个样品探测器和一个光谱仪。
激光器产生单色、单频的激光束，单色仪用于选择所需的激光波长，样品探测器接收经样品散射后的光信号，光谱仪将散射光信号转换为光强信号。
通过分析样品散射的光强和频移，可以得到拉曼光谱图。
三、拉曼光谱在材料表征中的应用1. 结构表征拉曼光谱能够提供关于材料结构的信息。
不同分子和晶格结构对应着不同的拉曼频移和峰位。
通过观察和分析拉曼光谱图中的峰位和强度，可以推断材料的结构、晶格类型和晶格缺陷等。
2. 化学成分分析由于不同分子的化学键和结构不同，它们产生的拉曼频移和峰位也不同。
因此，拉曼光谱可以用于快速确定和鉴别化学物质的成分。
通过与标准谱图进行比对，可以识别未知样品的化学成分。
3. 晶体学研究拉曼光谱在晶体学研究中发挥着重要作用。
通过观察拉曼光谱中的晶体光学声子（phonon）峰位和强度，可以研究晶体的晶格振动和声子性质，例如晶格常数、晶格动力学和晶格畸变等。
4. 动态过程研究拉曼光谱还可以用于研究材料的动态过程，如固-液相变、溶解过程、化学反应等。
通过实时监测拉曼光谱的变化，可以了解材料在不同条件下的结构和成分变化。
综上所述，拉曼光谱作为一种非侵入性、无损的表征技术，为材料科学领域的研究提供了重要手段。
拉曼光谱-课件分享
拉曼光谱分析
主要内容
红外光谱(IR) 拉曼光谱(Raman)
分子振动光谱
2
激光拉曼光谱基础
1928 C.V.Raman发现拉曼散射效应 1960 随着激光光源建立拉曼光谱分析 拉曼光谱和红外光谱一样，也属于分子振动光谱 生物分子，高聚物，半导体，陶瓷，药物等分析 ，
是否出现拉曼活性主要取决于分子在运动过程时某一 固定方向上的极化率的变化。 对于分子振动和转动来说，拉曼活性都是根据极化率 是否改变来判断的。 对于全对称振动模式的分子，在激发光子的作用下， 肯定会发生分子极化，产生拉曼活性，而且活性很强； 而对于离子键的化合物，由于没有分子变形发生，不 能产生拉曼活性。
Strength enhanced 102~3 more sensitive concentration < 0.1mM similar to UV
preresonance
Resonance enhanced
共振拉曼散射
11
拉曼原理-LRS与IR比较
拉曼光谱是分子对激发光的散射，而红外光谱则是分子对红外光的吸 收，但两者均是研究分子振动的重要手段，同属分子光谱。
优势：激发波长较长， 可以避免部分荧光产生
局限：黑色样品会产生热背景 薄膜样品的厚度应 >1m 光谱范围：5~4000cm-1
23
分析方法
普通拉曼光谱 一般采用斯托克斯分析
反斯托克斯拉曼光谱 采用反斯托克斯分析
24
Raman光谱可获得的信息
Raman 特征频率
Raman 谱峰的改变
Raman 偏振峰
47
100 Cr
100
depth profile lines
激光拉曼光谱分析法
激光拉曼光谱分析法首先，让我们来了解激光拉曼光谱分析的原理。
拉曼光谱是指物质分子与光子相互作用后发生的能量改变所产生的光的散射现象。
当激光照射到样品表面时，部分被散射，其中一部分发生拉曼散射，即光子在与物质分子相互作用后发生频率改变的过程。
拉曼散射光中含有与样品中分子振动、转动和其他模式有关的信息，通过分析拉曼散射光的频率和强度，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
为了实现激光拉曼光谱的测量，需要一套专门的仪器设备。
最基本的设备包括激光器、样品架、光谱仪等。
激光器用于产生高能量、单色的激光束，通常使用激光二极管或激光器作为光源。
样品架用于将待测样品放置在激光束中，确保样品与激光充分接触。
光谱仪用于收集并分析拉曼散射光的频率和强度，通常使用光栅或干涉仪作为光谱分析装置。
激光拉曼光谱的测量过程主要包括样品的准备、实验参数的设置、光谱测量和数据分析等步骤。
首先，需要将待测样品制备成适当的形式，如固体样品可以通过压片或微晶片技术制备，液体样品可以直接放置在样品架上。
然后，根据样品的性质和分析要求，设置合适的激光器功率、波长和探测器增益等参数。
接下来，将样品架放置在激光束中，通过调整样品位置和激光聚焦来最大化拉曼散射光的强度。
然后，使用光谱仪收集拉曼散射光的光谱数据，并通过傅里叶变换等数学方法将时间域数据转换为频域数据。
最后，根据光谱图像和峰位、峰形等特征，可以确定样品的化学成分、结构和状态。
激光拉曼光谱分析法在不同领域具有广泛的应用。
在材料科学领域，可以利用激光拉曼光谱分析法研究材料的结构和相变过程，例如确定纳米材料的尺寸和形态、表征薄膜的物理性质等。
在生物医学领域，可以使用激光拉曼光谱分析法研究生物分子的结构和功能，如检测肿瘤标记物、鉴定细菌和病毒等。
在环境监测领域，可以利用激光拉曼光谱分析法迅速检测土壤、水体、空气中的污染物，例如检测水中重金属离子、鉴别有机污染物等。
综上所述，激光拉曼光谱分析法是一种高分辨率、非破坏性的分析技术，广泛应用于材料科学、生物医学、环境监测等领域。
激光拉曼光谱
激光拉曼光谱激光拉曼光谱技术是一种基于激光和拉曼散射原理的光谱分析技术，它通过测量拉曼光谱，研究物质的化学结构、成分信息、物性参数等，以及拉曼光谱和分子结构的关系，为物理、化学和材料科学领域提供了广泛的研究和应用机会。
激光拉曼光谱的研究方法包括电子及共振光谱技术，它可以用来探测物质的结构和性质，也可以识别和分析物质的成分。
激光拉曼光谱的技术依赖的理论基础可以分为普通的拉曼原理、共振拉曼原理和复合拉曼原理。
拉曼原理是由拉曼散射测量分析物质中元素振动或颗粒所产生的拉曼散射现象，这种现象所产生的拉曼光谱容易识别物质的成分和结构。
共振拉曼散射是由物质的外电子云或共价键的频率相关的电磁场的组合而观测到的，它可以获得元素在物质中的分子结构，从而获得物质的化学结构信息。
复合拉曼散射是指拉曼散射和共振拉曼散射结合在一起使用，可以获得更多的信息。
激光拉曼光谱技术是一种灵敏、高分辨率的分析技术，可以应用于多种物质，如生物、材料、环境等，它可以用来检测机理、探索结构、计算反应率,在广泛应用于物理化学研究和机械工程制造领域。
激光拉曼光谱技术的优点可归纳为：（1）精确可靠，它可以测量到物质结构的非常小的变化，而不会受到其他因素的影响；（2）灵敏度高，可以探测到痕量物质；（3）可以获得高分辨率的全光谱信息；（4）可以检测物质的多种特性；（5）对物质的测量不受环境的影响；（6）快速测量，可以快速分析多种物质。
激光拉曼光谱技术的应用十分广泛，它可以应用于工业领域的控制及检测，如分析精细化学品；也可以应用于表面分析，如金属和多层膜结构的探索；可以应用于生命科学领域，如生物分子和生物大分子的结构和物性参数的检测；还可以应用于环境领域，如分析气体、水体中的痕量化学物；还可以应用于材料工程领域，如分析材料的结构和组成，以及晶体内部的分析等。
总之，激光拉曼光谱技术在物理、化学、材料工程、环境等多个领域中都有着广泛的应用，它拥有良好的准确性、灵敏性以及全光谱信息分析能力，而且操作简单便捷，是一种重要的分析技术。
激光拉曼光谱的基本原理和应用
激光拉曼光谱的基本原理和应用概述激光拉曼光谱是一种分析化学技术，通过激光与物质相互作用产生拉曼散射，来研究物质的结构、组成和分子间相互作用。
它具有非破坏性、无需样品准备和实时性等优点，逐渐成为了化学、材料科学、生物科学等领域的重要工具。
基本原理1.激光激发：使用单色激光激发样品，激光光源通常采用连续激光或脉冲激光。
2.拉曼散射：激光与物质相互作用时，部分光子会发生能量改变，产生拉曼散射。
拉曼散射分为斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射两种类型。
3.能量转移：拉曼散射中发生的能量转移可以反映样品的各种信息，包括化学成分、结构、晶格振动、分子动力学等。
4.光谱测量：将拉曼散射的频率和强度进行测量，得到拉曼光谱。
拉曼光谱可以通过光谱解析获得样品的详细信息。
应用领域1. 分析化学•定性分析：通过比对拉曼光谱数据库，可以鉴定物质的组成和结构，例如鉴别药品中的成分、研究有机化合物的结构等。
•定量分析：利用拉曼光谱与物质的浓度之间的关系，可以进行定量分析，例如测定食品中的添加剂含量、检测环境中的污染物等。
•微生物检测：拉曼光谱可以用于微生物的快速检测与鉴别，例如检测食品中的细菌、水质中的藻类等。
2. 材料科学•表征材料：激光拉曼光谱可以用于表征各种材料，包括无机材料、有机材料和生物材料等，例如研究催化剂的表面性质、分析聚合物的分子结构等。
•动态研究：拉曼光谱可以实时监测样品的变化过程，例如观察材料的相变、溶液的反应动力学等。
•薄膜制备：通过拉曼光谱的组成分析，可以优化薄膜的制备过程，提高其性能。
3. 生物科学•细胞研究：利用激光拉曼光谱，可以对细胞的化学成分进行非破坏性分析，例如观察细胞的代谢活性、鉴别癌细胞等。
•药物研发：拉曼光谱可以用于药物的研发过程中，以评估其结构、稳定性和溶解度等。
•生物分子结构解析：通过拉曼光谱，可以研究生物分子的结构和相互作用，例如蛋白质的折叠状态、核酸的结构等。
研究进展•激光技术的进步：随着激光技术的不断发展，激光拉曼光谱的应用范围和灵敏度得到了显著提高。
激光拉曼光谱实验报告
激光拉曼光谱实验报告激光拉曼光谱实验报告引言：激光拉曼光谱是一种非常重要的光谱分析技术，它可以通过激光与样品相互作用而产生的拉曼散射光，来获取样品的结构信息和分子振动信息。
本实验旨在探究激光拉曼光谱的原理与应用，并通过实验验证其在化学分析中的可行性和准确性。
实验原理：激光拉曼光谱是基于拉曼散射效应的，当激光与样品相互作用时，光子与样品中的分子发生相互作用，部分光子的能量被转移给分子，导致分子的振动和转动状态发生变化。
当光子重新散射出来时，其能量与入射光子相比发生了变化，这种能量差就是拉曼散射光的频率差，也称为拉曼位移。
通过测量拉曼散射光的频率差，可以获得样品的结构信息和分子振动信息。
实验步骤：1. 准备样品：选择一种具有明确结构和振动特征的样品，如苯乙烯。
将样品制备成适当浓度的溶液。
2. 调整仪器：打开激光拉曼光谱仪，调整激光器的功率和波长，确保光束的稳定性和一致性。
3. 校准仪器：使用标准样品进行校准，以确保光谱仪的准确性和可靠性。
4. 测量样品：将样品溶液放置在光谱仪的样品室中，调整光谱仪的参数，如激光功率、积分时间等，开始测量样品的拉曼光谱。
5. 数据分析：将测得的拉曼光谱数据进行处理和分析，通过比对标准谱图和已知结构的样品，确定拉曼峰的对应关系和分子结构。
实验结果与讨论：通过实验测量得到的苯乙烯的拉曼光谱如下图所示。
在光谱中可以观察到多个峰，每个峰对应着分子的不同振动模式。
通过与已知标准谱图的对比，可以确定这些峰的对应关系，从而推断出样品中分子的结构和组成。
在苯乙烯的拉曼光谱中，我们可以观察到几个显著的峰，如1450 cm^-1处的峰对应着苯环的C=C键伸缩振动，800 cm^-1处的峰对应着苯环的C-H键伸缩振动。
这些峰的位置和强度可以提供关于分子结构和键的信息，如键长、键强度等。
激光拉曼光谱在化学分析中有着广泛的应用。
通过测量样品的拉曼光谱，可以快速、无损地获取样品的结构信息和化学成分。
激光拉曼光谱
Raman活性与红外活性的比较
2.相互允许规则：一般来说，不具备对称中心的分子， 其红外和Raman光谱的活性是可以并存的。例如水的三个 振动υs 、 υas和δ都有红外和拉曼活性的。
H2O的振动模式和选律
振动模式 对称伸缩 非对称伸缩
弯曲
O HH
O
H
H
O
H H
O
H
H
极化率 变化 变化 变化
Raman 活性 活性 活性
偶极距 变化 变化 变化
红外 活性 活性 活性
Raman活性与红外活性的比较
3.相互禁阻规则：也有少数分子的振动在红外和Raman 中都是非活性的。
例如平面对称分子乙稀的扭曲振动，既无偶极矩变化， 也不产生极化率的改变，故在红外及Raman中皆为 非活 性。
Raman散射
Raman散射的两种 跃迁能量差：
E1 + h0 E0 + h0
①当入射光子(hv0)把处 h(0 - )
于E0能级的分子激发到E0+
hv0能级，因这种能态不稳 定而跃回E1能级，其净结 果是分子获得了E1与E0的
E1 V=1 E0 V=0
能量差h，而光子就损
失了这部分的能量,即使
STOK
Laser Raman Spectroscopy
目录
㈠、拉曼光谱的发展简史 ㈡、Raman光谱的基本原理 ㈢、Raman活性与红外活性的比较 ㈣、激光Raman光谱仪 ㈤、激光Raman光谱的应用 ㈥、激光Raman光谱的发展 ㈦、参考书目及文献
拉曼光谱的发展简史
1928年，印度物理学家拉曼用水银 灯照射苯液体，发现了新的辐射谱 线。因而他进一步在实验室里用一 个大透镜将太阳光聚焦到一瓶苯的 溶液中，经过滤光的阳光呈蓝色， 但是当光束进入溶液之后，除了入 射的蓝光之外，拉曼还观察到了很 微弱的绿光。拉曼认为这是光与分 子相互作用而产生的一种新频率的 光谱带，属于一种新的分子辐射， 后人称之为拉曼散射。拉曼因发现 这一新的分子辐射和所取得的许多 光散射研究成果而获得了1930年诺 贝尔物理奖。
激光拉曼光谱的原理和应用及拉曼问答总结(整理完毕)
激光拉曼光谱的原理和应用当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会暗原来的发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。
在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。
由于拉曼谱线的数目，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，分子结构的研究推荐激光拉曼光谱法是以拉曼散射为理论基础的一种光谱分析方法。
激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应。
拉曼散射：当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是发生改变方向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的10-10-10-6的散射，不公改变了传播方向，也改变了频率。
这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。
对于拉曼散射来说，分子由基态E0被激发至振动激发态E1，光子失去的能量与分子得到的能量相等为△E反映了指定能级的变化。
因此，与之相对应的光子频率也是具有特征性的，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。
这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论工具。
拉曼光谱仪的主要部件有：激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。
应用激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。
有机化学拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。
利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。
高聚物拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。
在确定异构体（单休异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。
激光拉曼光谱原理
激光拉曼光谱原理
激光拉曼光谱是一种用于分析物质成分和结构的非损伤性技术。
它利用激光光源照射样品，当光与样品相互作用时，其中一部分光被散射，并通过集成光谱仪进行分析。
激光拉曼光谱基于拉曼散射效应，拉曼散射是指光在与物质相互作用时改变频率和能量的现象。
当激光与样品相互作用时，有一部分光被散射，并且散射光的频率可能会发生变化。
这些频率的变化量与样品的分子振动和旋转相关。
拉曼散射光中的频率变化通常非常小，因此需要使用高分辨的光谱仪来检测。
光谱仪通常由一个光栅或干涉仪组成，可以将不同频率的光分离开来，并测量其强度。
这样就可以得到一个频率与强度的光谱图。
激光拉曼光谱可以用于分析各种类型的样品，包括固体、液体和气体。
对于固体样品，激光光源可以通过显微镜聚焦到样品表面上的微小区域，以获得高空间分辨率的光谱信息。
对于液体和气体样品，可以通过光纤将光源引导到样品中，以获取其拉曼光谱。
通过对激光拉曼光谱的分析，可以确定样品中的分子组成和结构信息。
每种分子都有独特的拉曼光谱特征，因此可以通过比对实验结果与已知标准光谱库来确定样品的成分。
此外，还可以通过观察峰值的位置、强度和形状来推断样品的分子结构和化学键信息。
激光拉曼光谱具有高灵敏度、非破坏性、快速分析等优点，因此广泛应用于材料科学、化学、生物医学等领域的研究和实际应用中。
材料表征方法拉曼光谱课件
THANKS
数据分析
结合样品的性质和实验目 的，对特征峰进行定性和 定量分析，得出有关材料 结构和性质的结论。
03
拉曼光谱在材料表征中的应 用
晶体结构分析
总结标词题
拉••曼光文文谱字字能内内够容容通过分 析•材料文中字特内定容振动模 式来• 确文定字其内晶容体结构。
详细描述
拉曼光谱可以检测到 材料中特定分子的振 动模式，这些振动模 式与晶体的对称性和 振动频率密切相关， 从而可以推断出材料
样品安装
将处理好的样品放置在拉曼光谱仪的样品台上，确保样品与激光光路对准。
数据采集
启动光谱仪，收集样品的拉曼散射信号，记录光谱数据。
实验数据处理与分析
01
02
03
数据预处理
对采集到的原始数据进行 整理、平滑和背景校正等 处理，以提高数据质量。
特征峰识别
根据拉曼光谱的原理，识 别出与样品相关的特征峰， 并确定其对应的振动模式。
优点
可以提供分子振动和转动信息，适用 于各种类型的材料，包括非晶体、部 分晶体和有机/无机材料。
05
拉曼光谱的未来发展与展望
高灵敏度拉曼光谱技术
总结词
随着科学研究的深入，对材料表征的精度和灵敏度要求越来 越高，高灵敏度拉曼光谱技术成为未来的发展趋势。
详细描述
高灵敏度拉曼光谱技术通过采用先进的激光技术和信号处理 方法，提高了拉曼散射的信号强度和信噪比，从而能够更准 确地检测微弱信号，对痕量物质和低浓度样品进行有效的表征。
的晶体结构。
总结词
拉曼光谱在晶体结构 分析中具有高精度和
高灵敏度。
详细描述
拉曼光谱的分辨率高， 可以区分不同晶体的 振动模式，从而准确 地确定材料的晶体结 构。此外，拉曼光谱 的灵敏度高，可以检 测到微小的晶体结构
激光拉曼光谱
实验系统和光谱：
优点：
缺点：
① 高强度 ② 抑制背景光 ③ 高光谱分辨率 ④ 消除单色仪影响 ⑤ 探测微量样品 ⑥ 转换效率高
① 较强背景荧光 ② 不适合损耗大介质 ③ 非共振背景信号干扰
一、普通拉曼光谱
斯托克斯线 反斯托克斯线
薛定谔方程 微扰时系统波函数 简化可得
初始条件：
积分可得： 跃迁几率：
——斯托克斯线 ——反斯托克斯线
二、受激拉曼光谱
受激拉曼散射特点
① 阈值性
② 方向性
⑦ 与正常拉曼谱线中最强
③ 强度高 ④ 单色性 ⑤ 短脉冲
的谱线位置相同 ⑧ 反斯托克斯线容易出现
⑥ 多重谱线特
能量和动量守恒定律：
总光场：
极化偶极矩： 能量交换速率： 平均速
总的光场写成：
平均速率：
波矢方程： 利用关系：
简化得： 利用关系：
简化得： 利用能量和动量守恒定律，可得：
实验要求：
① 激光输出功率必须大于阈值 ② 拉曼光应尽量落在探测器上 ③ 激光脉宽必须选择适当
受激拉曼散射应用： ——振动态能级寿命
k
L
E2 E1
转换效率：
三、超拉曼光谱
二阶感生偶极子P：
入射光场： 分子做谐振动：
利用关系：
实验技术和光谱：
四、相干反斯托克斯拉曼光谱
——相干反斯托克斯拉曼散射 ——相干斯托克斯拉曼散射
输出激光光场：
CARS光强度： 相位匹配条件：
相干长度：
激光拉曼光谱法的原理和应用实例
激光拉曼光谱法的原理和应用实例1. 原理激光拉曼光谱法是通过激发样品中的分子振动使其发生光散射，进而通过分析散射光子的能量变化来确定样品的组成和结构。
其原理主要涉及以下几个方面：1.1 拉曼散射拉曼散射是光与分子相互作用产生的光散射现象。
当光与样品分子相互作用时，部分光子的能量会发生改变，这种能量变化即为拉曼散射。
拉曼散射分为斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射两种，其中斯托克斯拉曼散射的光子能量减小，反斯托克斯拉曼散射的光子能量增大。
1.2 激发光源激光是产生拉曼散射的关键光源。
激光具有单色性、高亮度和狭窄线宽等特点，能够提供足够的功率和光子密度。
常用的激光光源包括氦氖激光器、固体激光器和半导体激光器等。
1.3 散射光子激发样品后，样品发射出的散射光子包含了拉曼散射光子。
这些散射光子的能量在激发光子的基础上发生了变化，通过测量散射光子的能量变化可以推断出样品的振动模式和化学成分。
2. 应用实例激光拉曼光谱法在许多领域中都有广泛的应用，下面列举了几个典型的应用实例。
2.1 材料科学激光拉曼光谱法在材料科学中被用于材料的组成和结构分析。
通过测量散射光子能量的变化，可以得到材料中不同化学键的振动信息，从而确定其组成和结构。
这对于材料的研发和分析具有重要意义。
2.2 生物医学激光拉曼光谱法在生物医学领域中被广泛应用于生物分子的定量和定性分析。
通过测量生物样品中的拉曼散射光子能量变化，可以获得样品中不同化学物质的信息，包括蛋白质、核酸和脂类等。
这对于研究疾病的发生机制和诊断具有重要意义。
2.3 环境监测激光拉曼光谱法在环境监测中可用于检测和分析土壤、水和大气等环境样品中的化学物质。
通过测量散射光子的能量变化，可以确定样品中的有机物、无机物和污染物等成分，从而评估环境污染状况。
2.4 食品安全激光拉曼光谱法在食品安全检测中起到重要作用。
利用激光拉曼技术可以检测食品中的农药残留、添加剂和污染物等有害物质，确保食品的质量和安全。
拉曼光谱仪在高分子材料方面的应用
拉曼光谱仪在高分子材料方面的应用拉曼光谱仪是一种测量物质分子振动状态的仪器。
通过对物质分子振动状态的测量和分析，可以了解物质的组成、结构和性质等信息。
拉曼光谱技术已经广泛应用于生物、化学、材料等领域中，并在高分子材料方面具有重要的应用价值。
拉曼光谱原理拉曼光谱是指分析物质产生的散射光的光谱，它可以反映物质分子振动状态的信息。
当激光经过样品时，一部分光被散射，它们既可能被散射到与激光相同方向，也可能被发散。
这些散射光分为两类：一类是斯托克斯散射光，它们的频率低于入射激光的频率；另一类是反斯托克斯散射光，它们的频率高于入射激光的频率。
拉曼光谱就是通过分析斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光的光谱来获取物质分子振动状态信息的方法。
在高分子材料方面，拉曼光谱可以用来分析物质的分子结构、化学键状态、识别杂质等。
通过测量样品的拉曼光谱，可以得到分子的振动频率、键长、键角和对称性等信息，再通过分析这些信息，可以推断样品的分子结构和化学状态，识别杂质和探测晶体缺陷等。
拉曼光谱在高分子材料质量控制中的应用在高分子材料制造过程中，拉曼光谱可以用来监测和控制材料的质量。
通过对原材料、半成品和成品样品的拉曼光谱进行检测和分析，可以及时发现各种缺陷和质量问题，以及调整制造过程中的参数，提高产品质量。
例如，在聚合物材料制造中，掌握聚合物的分子结构和成分是至关重要的。
拉曼光谱可以帮助判断聚合物分子中化学键的状态，包括共价键、氢键、离子键等，识别各种杂质，探测晶体缺陷等。
通过对生产线上的样品进行拉曼光谱检测，可以快速发现制造过程中的异常，及时调整制造参数，保证产品质量。
拉曼光谱在高分子材料研究中的应用除了质量控制，拉曼光谱也在高分子材料的研究中得到了广泛应用。
许多研究者利用拉曼光谱技术对高分子材料进行了深入的研究，取得了丰富的信息。
例如，在高分子物质的结构和性能研究中，通过拉曼光谱分析，可以获取样品的分子结构、化学键状态、晶体缺陷和动力学行为等信息。
激光拉曼光谱ppt
射光和散射光大多是可见光。拉曼光谱为散射光谱，而红 外光谱是吸收光谱。
11
b 产生机理不同：红外吸收是由于振动引起分子偶极矩或 电荷分布变化产生的，拉曼散射是由于键上电子云分布产 生瞬间变形引起暂时极化，是极化率的改变，产生诱导， 当返回基态时发生的散射，散射的同时电子云也恢复原态 。 c 制样技术不同：红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样 ，可直接测试水溶液。 ③两者间的联系 对于具有对称中心的分子来说，具有一互斥规则：与对称 中心有对称关系的振动，红外光谱不可见，拉曼可见；与 对称中心无对称关系的振动，红外光谱可见，拉曼不可见 。
14
3、生物 拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉
曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然 状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉 曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的 作用、视紫红质在光循环中的结构变化、动脉硬化操作中 的钙化沉积和红细胞膜的等研究中的应用均有文献报道。
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拉曼光谱与红外光谱分析方法比较
拉曼光谱 光谱范围40-4000Cm-1
红外光谱 光谱范围400-4000Cm-1
水可作为溶剂
样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器 中直接测定
固体样品可直接测定
水不能作为溶剂 不能用玻璃容器测定 需要研磨制成 KBR 压片
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五、拉曼光谱分析应用
应用有以下几种：在有机化学、高聚物、生物方面 的应用。
b. 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。
c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。
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四、红外光谱与拉曼光谱的比较
第5章拉曼光谱分析法
Ar+激光器是拉曼光谱仪中另一个常用的光源。
试验设备和实验技术
1. 激光光源
激光拉曼散射光谱法
由于激光的这些特点，它是 拉曼散射光谱的理想光源，激 光拉曼谱仪比用汞弧灯作光源的经典拉曼光谱仪具有明显的 优点：
（1）被激发的拉曼谱线比较简单，易于解析；
（2）灵敏度高，样品用量少，普通拉曼光谱液体样品需 50ml左右，而激光拉曼光谱只要1l即可，固体0.5 g，气体 只要1011个分子；
激光是原子或分子受激辐射产生的。激光和普通光 源相比，具有以下几个突出的优点：
(1) 具有极好的单色性。激光是一种单色光，如氦氖激光器 发出的6328Å的红色光，频率宽度只有910-2Hz。
(2) 具有极好的方向性。激光几乎是一束平行光，例如，红 宝石激光器发射的光束，其发射角只有3分多。激光是非常 强的光源。由于激光的方向性好，所以能量能集中在一个 很窄的范围内，即激光在单位面积上的强度远远高于普通 光源。
激光拉曼散射光谱法
激光拉曼光谱与红外光谱比较
红外与拉曼光谱在研究聚合物时的区别可以聚乙烯为例加以说明（图 6-34）。
聚乙烯分子中具有对称中心，红外与拉曼光谱呈现完全不同的振动模 式。在红外光谱中，CH2振动为最显著的谱带。而拉曼光谱中，C-C振动有 明显的吸收。
图6-34 线型聚 乙烯的红外(a) 及拉曼(b)光谱
1126cm-1谱带(C-C伸缩 振动)
1081cm-1谱带(CN伸缩振动)
图6-37 聚酰胺-6薄膜拉伸400％后的激光拉曼散射光谱 ∥表示偏振激光电场矢量与拉伸方向平行 ⊥表示偏振激光电场矢量与拉伸方向垂直
拉曼光谱在材料研究中的应用
聚合物形变的拉曼光谱研究
拉曼光谱 高分子
拉曼光谱高分子拉曼光谱是一种非常重要的分析技术，可用于研究物质的化学组成、结构和动力学等信息。
它是根据拉曼散射现象而建立的一种谱学分析方法。
拉曼散射是指光在物质中传播时，部分光被散射并且频率改变的现象。
这种频率差异反映了物质的振动模式，从而提供了关于物质的结构和化学成分的重要信息。
这种散射现象是在20世纪20年代首次被印度物理学家拉曼发现的，因此被称为拉曼散射。
拉曼光谱的主要原理是通过测量散射光的频率差异来获取样品的结构信息。
光谱仪通过激光器产生的单色光与样品相互作用，一部分光被散射出去，散射光与激光器产生的光具有不同的频率。
根据散射光的频率变化，可以得到样品中分子的振动模式，从而获得关于样品结构的信息。
高分子是拉曼光谱中常见的研究对象之一。
高分子材料的结构复杂，具有大量的伸缩、弯曲和转动等振动模式，因此其拉曼光谱可以提供丰富的结构信息。
例如，通过拉曼光谱可以确定高分子链的取向、晶体结构以及分子间的相互作用等重要参数。
此外，拉曼光谱还可以用来研究高分子材料的构象变化、聚合度以及不同光化学反应等。
在实际应用中，拉曼光谱技术已经广泛用于高分子材料的表征和分析。
通过拉曼光谱，可以非破坏性地检测和鉴定高分子材料，评估其质量和纯度。
例如，拉曼光谱可以用来检测高分子材料中的杂质、探测聚合物的缺陷以及分析高分子薄膜的厚度等。
此外，拉曼光谱还可以用来研究高分子材料的分子动力学行为，例如聚合反应的动力学过程、高分子的自组装行为等。
值得注意的是，拉曼光谱不仅可以用于研究固态高分子材料，还可以应用于液态和气态样品的分析。
对于高分子溶液和微小颗粒的分析，拉曼光谱有着特殊的优势。
通过拉曼光谱，可以实现对高分子溶液中单个分子的探测，并且可以通过采集多个光谱，来研究高分子在不同环境和温度条件下的行为。
综上所述，拉曼光谱是一种非常重要的高分子分析技术。
通过测量拉曼散射光的频率差异，可以获取样品的结构信息。
在高分子领域，拉曼光谱可以用来研究高分子的结构、动力学、微观行为等。
高分子材料表征第五章激光拉曼光谱法
高分子材料的定量分析
❖ 2906cm-1是聚氯乙烯的特征峰。由于聚偏氯 乙烯和聚氯乙烯都有CH：不对称伸缩振动的 2926cm-1峰，故可以该峰作为内标。氯乙烯 含量按下式计算：
共聚物中VC％：
A K 2906
A 2926
高分子材料的结构分析
❖ 1、构型 ❖ 拉曼光谱研究聚二烯烃的几何异构十分有效，因为
❖ 拉曼光谱用于鉴别高分子的一个典型例子是尼 龙。不同种类尼龙的红外光谱极为相似。但不 同的亚甲基序列组成的骨架在拉曼光谱中有很 强的谱带．彼此很易区分。图7-42示出尼龙6 、尼龙610和尼龙11的拉曼光谱，可见差别很 大。主要的尼龙品种都可以鉴别，唯独尼龙6 和尼龙66的拉曼光谱差别不大，但它们的红外 光谱显著不同，可以区分开来。
（二）拉曼光谱与红外光谱的比 较
❖ 因为这两种光谱分析机理不同，它们提供的信 息也有差异。一些对称性较高的基团，极 性 很小，红外吸收很弱，但在拉曼光谱中却有较 强的谱带，如C—C，C=C，S—S就很适合拉 曼光谱研究。红外光谱法更适合于测定高分子 的侧基和端基，而拉曼光谱法更多用于研究高 分子的骨架结构。
构型分析
构象
❖ 由于C—C骨架振动是强谱带，这些谱带高度 偶合，构象的任何变化会通过改变偶合而改变 谱带，所以可用于研究高分子的链构象。
构象
❖ 例如，聚四氟乙烯，其构象与温度有关，19℃以下 为136螺旋，19℃以上是157螺旋。对于结晶聚四氟 乙烯可计算出有24个振动模式，其中21个模式有拉 曼活性。所以其拉曼光谱有许多锐峰，其中4个特强 。将样品冷至19℃以下，并未发现主要谱带有位移 ，说明136螺旋和157螺旋两种构象的拉曼光谱差别 很小。但根据计算，平面锯齿形构象与之应当有较大 的频率差别，所以实验结果排除了平面锯齿形构象的 可能性。
第五章拉曼光谱
1第六章拉曼光谱2第一节：引言第二节：拉曼光谱的基本原理 2.1 光散射2.2 拉曼光谱的经典解释 2.3 拉曼光谱的选择定则3第三节：拉曼光谱仪简介第四节：拉曼光谱的应用4.1 在有机化学中的应用 4.2 在无机与材料化学中的应用 4.3 在分析化学中的应用 4.4 在高分子材料中的应用 4.5 在生物学中的应用 4.6 在物理学中的应用 4.7 在催化研究中的应用4第一节引言什么是拉曼散射？假定有一束频率为ν0的单色入射光照射到样品上，除了吸收和透射外，有一部分光将受到样品的散射。
对散射光的频率进行分析，发现部分散射光的频率仍为ν0，而其余散射光的频率分布在ν0两侧，即ν0 ±∆ν, 这种频率发生改变的散射，叫做拉曼散射(Raman Scattering)。
5CCl4的拉曼谱图6拉曼光谱是以印度科学家V. Raman 的名字命名的，因为他和另一个科学家K. S.Krishnan 于1928年最先发现这一散射现象的。
在拉曼散射中，频率的改变是光子与物质相互作用时发生了能量的转移引起的，频率变化的大小以及观察到的拉曼光谱的形式等与散射样品的结构、能级有关，当然用于测定散射的仪器也有一定的影响。
7拉曼光谱的用途：主要用于分子内部转动和振动跃迁的研究。
拉曼散射频率的变化值±∆ν与分子内部的转动和振动能级密切相关。
分子转动能级和几乎所有振动能级的拉曼波数都在0～3500 cm -1之间，当采用400～600 nm 范围任一波长的光作为辐射源，拉曼光谱都处于可见光区域。
用拉曼光谱研究分子的转动和振动，只需一种色散系统和一种探测器。
8在红外光谱中，有些振动模是红外非活性的，如CO 2的对称振动模，这些振动频率可以用拉曼光谱测得，拉曼光谱和红外光谱具有互补性，它们是研究振动和转动的最有效方法，两者缺一不可。
9拉曼光谱的特点：波长位移在中红外区。
有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。
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高分子材料的定性分析
高分子材料的定性分析
• 由于激光束很细，可以直接鉴别薄膜中极小杂质的 成分。图7—43a是EVA薄膜中杂质的拉曼光谱，b、 c、d图分别是用于比较的纯LDPE、纯HDPE和 EVA薄膜的拉曼光谱。这些谱图是1500~1800cm1局部光谱放大4倍的结果。可见杂质在1660cm-1 有峰，归属于反式—CH=CH基团，而纯LDPE和 EVA薄膜在这一位置无峰．HDPE 虽然有峰，但 位置在1640cm-1，归属于—C=CH2，所以说明该 杂质不是PE，而是EVA热降解的产物，由于脱乙 酸而产生—CH=CH基团。
紫外光谱分析
• 电子跃迁类型和吸收带 • 最可能的电子跃迁方式是把一个电子从分 子的最高占有轨道推移到可采用的最低未 充满轨道，更一般地说即可以从占有轨道 向邻近的更高级轨道激发
紫外光谱分析
• 价电子主要包括三种电子：形成单键的电 子，形成重键的电子和未共有的电子或称 为非键的电子。通常将能景较低的分子轨 道称为成键轨道，能量较高的称为反键轨 道。三种电子形成的五种轨道的能级示意 于图9—2
紫外光谱分析
• 当紫外光照射分子时，—分子吸收光子能 量后受激发而从一个能级迁到另一个能级： 由于分子的能量是量子化的，所以只能吸 收等于分子内两个能级差的光子
E E2 E1 hv hc /
紫外光谱分析
• 紫外光的波长以300nm代入上式，或求出 紫外光的能量为：
3 10 E 6.62 4 7 3 10
（二）拉曼光谱与红外光谱的比较
• 因为这两种光谱分析机理不同，它们提供 的信息也有差异。一些对称性较高的基团， 极 性很小，红外吸收很弱，但在拉曼光谱 中却有较强的谱带，如C—C，C=C，S—S 就很适合拉曼光谱研究。红外光谱法更适 合于测定高分子的侧基和端基，而拉曼光 谱法更多用于研究高分子的骨架结构。
拉曼光谱的局限性
• 高分子材料的拉曼光谱受荧光的困扰。高 分子材料比低分子材料更易受高背景杂散 光特别是荧光的干扰，是因为与样品中的 杂质有关。荧光能覆盖整个频率范围，严 重时会把信号完全淹没。消除的方法是测 定前先用强激光曝光样品几分钟至数小时， 使荧光大为衰减；或改变入射光的波长以 降低荧光的发光率。
紫外光谱分析
紫外光谱分析
• 在四种电子跃迂中，所需能量最高(约 7.7×105J/mol,max＜200nm属远紫外区。 比如聚烯烃含有C—H和C—C键，都是键， 它们的吸收光谱在远紫外区。典型的情况 如聚乙烯，远紫外光谱在155nm处有吸收。
• 拉曼光谱用于鉴别高分子的一个典型例子 是尼龙。不同种类尼龙的红外光谱极为相 似。但不同的亚甲基序列组成的骨架在拉 曼光谱中有很强的谱带．彼此很易区分。 图7-42示出尼龙6、尼龙610和尼龙11的拉 曼光谱，可见差别很大。主要的尼龙品种 都可以鉴别，唯独尼龙6和尼龙66的拉曼光 谱差别不大，但它们的红外光谱显著不同， 可以区分开来。
高分子材料的定性分析
高分子材料的定性分析
• 根据选择定则，具有对称中心的基团的非 对称振动，红外是活性的而拉曼是非活性 的；对这些基团的对称振动，红外非活性 而拉曼活性；对没有对称中心的基团，红 外和拉曼都是活性的。因而一般来说，分 子和各基团的对称性愈高，红外与拉曼光 谱的区别就愈大。
高分子材料的定性分析
构 象
• 水溶液研究是拉曼光谱的一大特色，聚乙二醇水溶 液中链构象的研究是一个典型例子。固态的结晶态 聚乙二醇的拉曼光谱是复杂的，有许多强的锐峰， 可以观察到由于结晶中螺旋构象而引起的峰的分裂。 但如果将样品熔融或溶解于氯仿，峰都变得很宽并 发生位移，而且观察不到分裂，说明原结晶态固体 中的螺旋构象已不存在。但有趣的是其水溶液的拉 曼光谱却保留了分裂的较尖锐的峰形，这意味着即 使在水溶液中，分子链也仍保留着相当数量的螺旋 构象。
构象
• 例如，聚四氟乙烯，其构象与温度有关，19℃ 以下为136螺旋，19℃以上是157螺旋。对于 结晶聚四氟乙烯可计算出有24个振动模式，其 中21个模式有拉曼活性。所以其拉曼光谱有许 多锐峰，其中4个特强。将样品冷至19℃以下， 并未发现主要谱带有位移，说明136螺旋和 157螺旋两种构象的拉曼光谱差别很小。但根 据计算，平面锯齿形构象与之应当有较大的频 率差别，所以实验结果排除了平面锯齿形构象 的可能性。
（二）拉曼光谱的优点
• 在很多情况下样品不需处理，可直接用高 分子材料的粉、块、片或薄膜测量。也可 以装在透明的容器(如无荧光的玻璃管)中测 定，这对于测定液态样品特别方便。由于 无机填料的拉曼散射很弱，因而含有这些 填料的高分子材料不必分离就可以测定。
（二）拉曼光谱的优点
• 水的红外吸收十分强烈，而它的拉曼散射 极弱，只在1640cm-1附近有一个弱谱带。 因此拉曼光谱特别适用于水溶液的研究。
拉曼光谱的局限性
• 拉曼散射强度较低，包括瑞利散射在内的 分子散射总强度只是入射光强的十万分之 一，而其中又仅有约1％对拉曼光谱有贡献。 因而以往拉曼光谱法必须采用较大体积的 试样。自从激光光源出现以来，已经克服 了该缺点，激光的高强度和单色性很好地 适应了拉曼光谱的要求。而且由于激光直 径很小(可小至10m)，因而可以使用体积很 小的样品。
（二）拉曼光谱与红外光谱的比较
• 拉曼光谱与红外光谱同属分子振动光谱。红外光 谱法定性解析的三要素(即频率、强度和峰形)也 适用于拉曼光谱解析。拉曼位移相当于红外谱带 的吸收频率，每条谱带都相应于分子中某官能团 的振动。对大多数官能团如O—H、N—H、C—H、 C=C等拉曼伸缩带和红外吸收带是一致的，有时 在数字上还非常接近，如酮羰基的伸缩振动在红 外光谱中位于1710cm-1，在拉曼光谱中无论入射 光频率如何,拉曼位移量的位置总在1710-40cm-1。
高分子材料的定量分析
• 2906cm-1是聚氯乙烯的特征峰。由于聚偏 氯乙烯和聚氯乙烯都有CH：不对称伸缩振 动的2926cm-1峰，故可以该峰作为内标。 氯乙烯含量按下式计算：
A2906 共聚物中VC％： K A 2926
高分子材料的定量分析
高分子材料的定量分析
高分子材料的结构分析
• 1、构型 • 拉曼光谱研究聚二烯烃的几何异构十分有效， 因为C=C键的拉曼散射很强，且因结构而异。 例如聚异戊二烯的1,4结构的谱带在1662cm-1， 3,4结构在1641cm-1，1,2结构在1639cm-1。 • 聚丁二烯，顺1,4结构在1650cm-1，反1,4结 构在1664cm-1，1,2结构在1639cm-1。
二、应
用
• 高分子材料的定性分析 • 由于可供对照的标准谱图很少，利用基团 的归属鉴别仍是基本的方法
高分子材料的定性分析
高分子材料的定性分析
• 由于拉曼光谱与红外光谱具有互补性，用拉曼光 谱定性分析时最好有红外光谱对比。它们往往既 相似又不相同，结合起来使用能得到更丰富的信 息。这里以PE的拉曼光谱(图7—41)为例来说明。 对照PE的红外光谱(图7—4)可以看到，两种谱图 中都以C—H伸缩振动为最强谱带，且位置相似； 在1460cm-1附近都有CH的弯曲振动谱带。但拉 曼光谱缺少红外光谱中720、730cm-1的CH2摇摆 双重峰，却在1070、1130和1300cm-1呈现C—C 骨架的振动谱带。
高分子材料表征 第二节 激光拉曼光谱法
基本 原 理
• 由于大多数分子在室温下处于基态，因此反斯 托克斯带的强度显然要比斯托克斯带弱许多。 实验中拉曼光谱只记录斯托克斯散射。由于斯 托克斯散射的光子能量比入射光减少，也就是 频率向低波数位移(或波长红移)，频率位移量， 相应于被测分子振动或转动能级跃迁的频率。 例如波长为500nm(波数20000cm-1)的入射光 激发了一个1000cm-1的振动后，散射频率是 19000cm-1。在拉曼光谱中测定的是，将其作 为横坐标．把射频率的位置作为零，纵坐标是 拉曼散射强度。
结晶度和分子量
橡胶的硫化过程研究
• 由于S—S伸缩振动出现在724、756cm-1， 比相应的C—H谱带强10倍以上，在317、 337cm-1处的C—S—C谱带也很强，因此可 用于研究橡胶的硫化过程。
紫外光谱分析
• 第一节 基本原理
紫外—可见光区是由三部分组成的。波长在13.6— 200nm的区域称为远紫外区．由于这个区内空气有 吸收，所以又称为真空紫外区．波长在200—380nm 的称为近紫外区，波长在380～780nm的称为可见光 区。一般的紫外—可见光谱只包括后面两个区域。
（二）拉曼光谱与红外光谱的比较
• 分子在入射光的电场作用下，正负电荷中 心相对移动极化而产生诱导偶极矩p, p正比 于电场强度E和比例系数。称为分子的极 化率。 • 由于拉曼散射的活性与能产生诱导偶极矩 变化的振动有关，因而拉曼光谱与分子极 化率的变化有关。而红外光谱只与固有的 永久偶极矩有关，与分子极化率无关。
高分子材料的定性分析
高分子材料的定量分析
• 拉曼光谱的谱带强度与组分浓度成正比， 因此定量分析涉及谱带的绝对强度。因为 受到实验条件的影响，如光源输出时小的 涨落，绝对强度是不易测准的。为此，必 须采用体系内的谱带作内标，用强度比的 方法代替不易测定的绝对强度。液态样品 常用溶剂的特征谱带为内标，固态样品可 选用样品自身的某一谱带为内标。
紫外光谱分析
• 参数max和max很重要。 • (1) max表示吸收的最大波长，即最大吸 收峰位置。 • (2) max表示最大吸收的摩尔消光系数。 因为与A成正比，谱图可以用为纵坐标， 因而也可表示吸收峰的强度。一般地， >104为强吸收(不超过105)；=103~104为中 等吸收； <103为弱吸收，由于这种跃迁的 几率很小，称为禁戒跃迁。
8
（ EV)
紫外光谱分析
• 一个分子的能心是电子能、振动能和转动能 三部分的总和。电子能级为1~20eV，振动 能级为门0.05-1ev，转动能级为0.05eV。可 见紫外光能引起电子的跃迁，由于内层电子 的能级很低一般不易激发，故电子能级的跃 迁主要是指价电子的跃迁。因此，紫外吸收 光谱是由于分子吸收光能后，价电子基态能 级激发到能量更高的激发态而产生的,所以紫 外光谱也称电子光谱。