固体物理学：红外和Raman光谱分析
红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)
3.3红外分光光度计
按分光器将红外分光光度计分为四代： 以人工晶体棱镜作为色散元件的第一代; 以光栅作为分光元件的第二代; 以干涉仪为分光器的傅里叶变换红外光度计是第3代;
用可调激光光源的第4代仪器。
3.3.1双光束红外分光光度计的工作原理:
3.3.2 红外分光光度计的主要部件:
(1）光源： 光源的作用是产生高强度、连续的红外光。 （a）硅碳棒。由硅碳砂加压成型并经锻烧做成。工作温 度1300~1500℃，工作寿命1000小时。硅碳棒不需要预热， 寿命也较长。价格便宜。
波长或波数可以按下式互换：
_
( cm-1)=1/λ(cm)=104/λ(μm)
在2.5μm处，对应的波数值为： _ = 104/2.5 (cm-1)=4000cm-1
一般扫描范围在4000~400cm-1。 波长在2.5~25μm，叫中红外区。 波长0·75~2·5μm叫近红外区。 波长在25~100μm叫远红外区。
到了六十年代，用光栅代替棱镜作分光器的第二代红 外光谱仪投入了使用。这种计算机化的光栅为分光部件的 第二代红外分光光度计仍在应用。
七十年代后期，干涉型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR) 投入了使用，这就是第三代红外分光光度计。
近来，已采用可调激光器作为光源来代替单色器，研制 成功了激光红外分光光度计，即第四代红外分光光度计， 它具有更高的分辨率和更广的应用范围，但目前还未普及。
υ as
面内变 形振动
δ 面内
面外变 形振动 δ 面外
面内摇摆 ρ
剪式振动
δs
面外摇摆 ω 扭曲振动 τ
跃迁时能级变化的大小为：as > s > δ。
能级变化大的出峰在高频区，即波数值大；能级变化小 的出峰在低频区，即波数值小。
红外光谱IR和拉曼光谱Raman课件
优缺点分析
IR光谱
优点是检测的分子类型广泛，可用于多种类型的化学分析；缺点是需要样品是固态或液态，且某些基团可能无法 检测。
Raman光谱
优点是无需样品制备，对气态、液态和固态样品都适用；缺点是检测灵敏度相对较低，可能需要更长的采集时间 和更强的光源。
选择与应用指南
选择
根据样品的类型和所需的化学信息，选择合适的分析方法。对于需要检测分子振动信息 的样品，IR光谱更为合适；而对于需要快速、非破坏性检测的样品，Raman光谱更为
领域的研究和应用。
04
CATALOGUE
红外光谱（IR）与拉曼光谱（ Raman）比较相似性与差异性Fra bibliotek相似性
两种光谱技术都利用光的散射效应来 检测物质分子结构和振动模式。
差异性
IR光谱主要检测分子中的伸缩振动， 而Raman光谱则主要检测分子的弯曲 振动。此外，IR光谱通常需要样品是 固态或液态，而Raman光谱对气态和 液态样品也适用。
拉曼散射是由于物质的分子振动或转动引起的，散射光的频率与入射光的频率不同 ，产生拉曼位移。
拉曼散射的强度与入射光的波长、物质的浓度和温度等因素有关。
拉曼活性与光谱强度
拉曼活性是指物质在拉曼散射中的表 现程度，与物质的分子结构和对称性 有关。
在拉曼光谱实验中，可以通过控制入 射光的波长和强度，以及选择适当的 实验条件来提高拉曼光谱的强度和分 辨率。
红外光谱解析
特征峰解析
根据红外光谱的特征峰位置和强 度，推断出分子中存在的特定振
动模式。
官能团鉴定
通过比较已知的红外光谱数据，可 以鉴定分子中的官能团或化学键。
结构推断
结合其他谱图数据（如核磁共振、 质谱等），可以推断分子的可能结 构。
物理学中的红外光谱和拉曼光谱
物理学中的红外光谱和拉曼光谱红外光谱和拉曼光谱是物理学中常见的两种光谱分析技术。
红外光谱（Infrared Spectroscopy）是通过测量吸收红外光的能力来分析物质的分子结构和化学键的情况；而拉曼光谱（Raman Spectroscopy）则是通过测量分子和晶格结构对入射光的散射来分析物质的分子结构和化学键的状态。
这两种光谱分析技术已成为当今科学技术领域中不可或缺的重要工具。
红外光谱常用于分析物质的分子结构，还可分析分子中的化学键。
分子中的原子可通过它们的质量、电荷和其环境对红外光的散射和吸收，发生振动和旋转。
每个分子都有自己的特定振动模式，包括结构和运动序列。
当红外光照射样品时，这些振动模式会形成一个可识别和特异的吸收图谱。
吸收的图谱可分为不同的区域，每个区域可对应特定的化学键或分子结构。
通过识别样品中各区域的特征吸收带，研究人员可以分析样品中存在的分子结构和化学键种类，从而了解样品的组成和特性。
与红外光谱相比，拉曼光谱具有更高的分辨率和更广的适用范围。
拉曼光谱中的散射光谱是通过入射光与样品分子或物质中发生的振动和旋转的相互作用而产生的。
这种光谱分析方法具有非破坏性、快速和高灵敏度等优点。
由于在红外光谱中存在的低频振动模式在拉曼光谱中也很活跃，因此该技术与红外光谱相比较而言，可提供更准确和更灵敏地分析可得到更高的分辨率。
目前，世界上许多领先的科学研究机构和实验室都应用拉曼光谱技术来研究从天体物质到分子生物学等研究值得注意的范围，以展现其在此领域中不可或缺的作用。
虽然红外光谱和拉曼光谱技术在科学、医学和工程领域中都有着广泛的应用，但这些技术也存在一些仍需注意、继续深究的领域。
例如，在生物医学领域中，研究人员正在探索利用红外光谱和拉曼光谱技术来识别癌细胞、病毒和菌株。
这些应用还需要更多的研究、开发和改进，才能更好地用于检测、治疗和预防世界各地所面临的健康问题。
综而言之，红外光谱和拉曼光谱技术在物理学中的应用非常广泛，并成为现代科学研究中不可或缺的重要工具。
红外光谱与拉曼光谱的区别
红外光谱与拉曼光谱的区别1）拉曼谱峰比较尖锐，识别混合物，特别是识别无机混合物要比红外光谱容易。
2）在鉴定有机化合物方面，红外光谱具有较大的优势，主要原因是红外光谱的标准数据库比拉曼光谱的丰富。
3）在鉴定无机化合物方面，拉曼光谱仪获得400cm-1以下的谱图信息要比红外光谱仪容易得多。
所以一般说来，无机化合物的拉曼光谱信息量比红外光谱的大。
4）拉曼光谱与红外光谱可以互相补充、互相佐证。
红外光谱与拉曼光谱的比较1、相同点对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。
因此，对某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，红外吸收波数与拉曼位移均在红外光区，两者都反映分子的结构信息。
2、不同点（1）红外光谱的入射光及检测光均是红外光，而拉曼光谱的入射光大多数是可见光，散射光也是可见光；（2）红外谱测定的是光的吸收，横坐标用波数或波长表示，而拉曼光谱测定的是光的散射，横坐标是拉曼位移；（3）两者的产生机理不同。
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，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。
散射的同时电子云也恢复原态；（4）红外光谱用能斯特灯、碳化硅棒或白炽线圈作光源而拉曼光谱仪用激光作光源；（5）用拉曼光谱分析时，样品不需前处理。
而用红外光谱分析样品时，样品要经过前处理，液体样品常用液膜法和液体样品常用液膜法，固体样品可用调糊法，高分子化合物常用薄膜法，体样品的测定可使用窗板间隔为2.5-10 cm的大容量气体池；（6）红外光谱主要反映分子的官能团，而拉曼光谱主要反映分子的骨架主要用于分析生物大分子；（7）拉曼光谱和红外光谱可以互相补充，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，红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。
物理实验技术中的红外与拉曼光谱分析方法
物理实验技术中的红外与拉曼光谱分析方法红外光谱和拉曼光谱是物理实验中常用的分析方法，能够帮助科学家研究物质的结构和性质。
本文将探讨红外光谱和拉曼光谱的原理、应用以及在物理实验技术中的重要性。
在物理实验中，红外光谱和拉曼光谱被广泛应用于分析不同材料的化学成分和结构。
红外光谱通过测量物质吸收或散射红外光的波长来确定其分子振动信息，从而帮助科学家鉴定和定量分析物质。
而拉曼光谱则是通过测量物质散射光的频率来研究物质的分子振动和晶格振动。
这两种光谱技术在物理实验中有着广泛的应用，不仅可以用于化学、材料科学等领域的研究，还可以用于生物医学等领域的研究。
红外光谱分析方法的原理基于分子的振动吸收。
每个分子都有一些特定的频率，当红外光与分子相互作用时，分子会吸收特定频率的能量并发生振动。
这些吸收带的位置和强度可以提供关于分子结构和化学键的信息。
通过红外光谱分析，科学家可以研究材料的组成、纯度、分子间的相互作用等。
拉曼光谱与红外光谱不同，它是通过测量物质分子或晶格的光散射来研究其结构和性质的。
当光线通过物质时，其中一部分光线将散射出去，在散射过程中，光子与物质相互作用发生频率的变化，这就是拉曼散射现象。
通过测量散射光的频率，可以获得物质的拉曼光谱。
拉曼光谱可以提供关于物质的化学组成、晶格结构以及分子之间的相互作用等信息。
在物理实验中，红外光谱和拉曼光谱被广泛使用于材料科学的研究中。
例如，科学家可以利用红外光谱和拉曼光谱来研究有机化合物、聚合物材料以及表面涂层等材料的结构和性质。
通过分析这些材料的光谱数据，科学家可以进一步了解它们的热稳定性、力学性能和化学反应性等。
此外，红外光谱和拉曼光谱还可以应用于催化剂的研究、纳米颗粒的表征以及生物医学领域的研究中。
物理实验技术中的红外光谱和拉曼光谱分析方法的重要性不可忽视。
这些分析方法不仅提供了关于物质结构和性质的重要信息，还可以帮助科学家设计和合成新材料，改善现有材料的性能。
物理实验中的拉曼与红外光谱测试方法
物理实验中的拉曼与红外光谱测试方法导言：在物理实验中，拉曼和红外光谱测试是两种常用的方法。
这两种方法在研究物质的结构和性质方面有着重要的应用。
本文将依次介绍拉曼和红外光谱测试的原理、设备以及应用领域。
一、拉曼光谱测试方法拉曼光谱测试方法是一种基于物质分子振动转换能级的光散射现象的测试技术。
当物质受到激发光束的照射时，一部分光子将通过物质，而另一部分光子则与物质分子进行作用，发生散射。
这种散射光中，有一部分光子的频率发生了微小的变化，称为拉曼散射光。
通过分析拉曼散射光的频率变化，可以了解物质的化学键、分子结构以及晶格振动等信息。
拉曼光谱测试设备主要由激光器、样品台、光谱仪和检测器等组成。
激光器发射一束单色激光，并将其聚焦在待测物质上。
光谱仪记录散射光的频率变化，并将其转换为拉曼光谱图。
通过分析拉曼光谱图的峰位和峰形，可以获得物质的信息。
拉曼光谱测试具有非破坏性、无需特殊处理样品的优点，广泛应用于材料科学、化学和生物医学等领域。
从材料科学的角度来看，拉曼光谱测试可以用于研究材料的结构、相变以及材料表面特性等。
在化学领域，拉曼光谱测试可以帮助分析物质的成分、化学键的强度以及反应过程等。
此外，生物医学研究中的荧光探针、细胞成像以及体内分子探测等都可以通过拉曼光谱测试实现。
二、红外光谱测试方法红外光谱测试方法是一种基于物质在红外光区吸收光的特性的测试技术。
物质吸收红外光的波长范围通常为2.5到25微米，这个范围对应于物质分子振动和转动能级之间的能量差。
通过测量物质在红外光区的吸收光谱，可以对物质的组成、结构和化学键进行研究。
红外光谱测试设备主要由红外光源、样品台、光谱仪和检测器等组成。
红外光源发射一束宽带红外光，并将其传递到待测物质上。
光谱仪记录吸收光的变化，并将其转换为红外光谱图。
通过分析红外光谱图中吸收峰的位置和强度，可以获得物质的信息。
红外光谱测试被广泛应用于化学、材料学和生物科学等领域。
在化学领域，红外光谱测试可以帮助分析物质的结构、成分和化学键的类型。
红外光谱和拉曼光谱
2．红外光谱的指纹区
1350～400cm-1的低频区称为指纹区。
主要包括 C―O ， C―O―C ， C―X 的伸缩振动，C―C骨架振动和＝CH， ＝CH2的向外弯曲振动 这个区域吸收峰稠密，差别细微， 不好辨认。 650～910cm-1区域有称为苯环取代区。
三、影响官能团吸收频率的因素
1．内部因素 主要指分子的内部结构对基团频率位移 的影响。 （1）.诱导效应 由于取代基具有不同的电负性，通过静 电诱导作用引起分子中化学键电荷分布的变 化，改变了键力常数而导致基团频率位移的 效应称为诱导效应。
图7.21 苯酰胺
五、胺、腈和硝基化合物
1. 胺 主要特征峰 3500～3300 cm-1 （脂肪胺较弱， 芳香较强） 伯胺双峰，仲胺单峰，叔胺无此峰
δNH
1650～1590 cm-1伯胺 ， 1500 cm-1仲胺 在
脂肪胺中强度很弱，在芳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ伯胺和仲胺中强度很强
νCN νNH
1360～1020 cm-1
νC―O
1320～1200cm-1
图7.17 二乙酮、丙醛及丙酰氯
4．酰胺
νNH
3500～3100 cm-1
νC=O δNH
（1）伯酰胺
（2）仲酰胺
1680～1630cm-1
1550～1460 cm-1
（3）叔酰胺
νNH 3350 和 3180 cm-1双峰 νNH 3270 cm-1锐利单峰 无νNH峰
(3). 2000～1500cm-1 这是双键的伸缩振动区， 也可以说是红外谱中的重要区域主要有 C＝C， C＝O，C＝N，―NO2等的伸缩振动。
芳环的骨架振动约在 1450 ， 1500 ， 1580 ， 1600cm-1 。杂芳环与苯环有相似 之处，也在这一区域有吸收。
红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)
第二代红外光谱仪的色散元件是衍射光栅。 第三代红外分光光度计的色散元件是迈克逊干涉仪，不用狭缝。
(3）检测器 检测器是测量红外光强度的大小并将其变为电讯号的装置。主要有真空热电偶、高莱池和热电量热计三种。
3.3.3． 傅里叶变换红外分光光度计
M2
M1 光源
M4
分束器
样品
检测器
M3
迈克逊干涉仪
FTIR不用狭缝，消除了狭缝对光谱能量的限制，使光能的利用率大大提高。 傅里叶变换红外分光光度计还具有以下特点:
(1）分辨率高，可达0.lcm-1，波数准确度高达0.0lcm-1。 (2）扫描时间短，在几十分之一秒内可扫描一次。可用于快速化学反应的追踪、研究瞬间的变化、解决气相色谱和红外的联用问题。
近来，已采用可调激光器作为光源来代替单色器，研制成功了激光红外分光光度计，即第四代红外分光光度计，它具有更高的分辨率和更广的应用范围，但目前还未普及。
3.1.2红外光谱法的特点 （1）红外光谱是依据样品 吸收谱带的位置、强度、形状、个数，推测分子中某种官能团的存在与否，推测官能团的邻近基团，确定化合物结构。
谱带的位置(波数)由能级变化的大小确定。 谱带的位置(波数)也就是振动时吸收红外线的波数。
谱带的强度主要由两个因素决定：
一是跃迁的几率，跃迁的几率大，吸收峰也就强。 二是振动中偶极矩变化的程度。瞬间偶极矩变化越大，吸收峰越强。
跃迁的几率与振动方式有关: 基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强； 倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低，使峰强反而很弱。
红外及拉曼光谱分析_close2012
或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度 鉴定。 2013年11月30日
红外光谱的基本原理-产生的条件
满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的
能量；
(2)辐射与物质间有相互偶合作用。 对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无 红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩，红外活性。
2013年11月30日
多原子分子的简正振动
弯曲振动：又叫变形振动，一般是指键角发生 变化的振动。弯曲振动分为（1）面内弯曲振 动和（2）面外弯曲振动。面内弯曲振动的振 动方向位于分子的平面内；面外弯曲振动的振 动方向则垂直于分子平面。
2013年11月30日
多原子分子的简正振动
基本振动的理论数 简正振动的数目称为振动自由度，每个振动 自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。 多原子分子的振动可以看作是被许多弹簧连接起 来的小球构成的体系的振动。描述一个质点的位置 需要3个坐标。一个分子包含n个原子，则具有3n个 自由度。作为一个整体分子，本身有3个平动和3个 转动自由度。所以，3n－6才是分子的振动自由度 （直线性分子有3n－5个自由度）。
绪论-IR方法概述
分子的振动能量比转动能量大，当发生振动 能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁， 所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到 分子 的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。 红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。 当样品受到频率连续变化的红外光照射时， 分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动 运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动 能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收 区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射 比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。 2013年11月30日
红外光谱和拉曼光谱3
② 骨架振动 是指中心金属原子与配体中配位原 子间键的振动， 子间键的振动 ， 是整个配合物分子的 特性振动。 特性振动。 ③ 偶合振动 当有二个配体间振动偶合， 当有二个配体间振动偶合 ， 或配 体与骨架振动偶合及不同骨架振动偶 合而产生的振动 。
现以例[Ag(CN)2]- 为例 现以例 量子力学指出， 量子力学指出 ， [Ag(CN)2]- 的正则振 动如图所示。 动如图所示。 双原子配体CN只有一种振动，即C≡N 双原子配体 只有一种振动， 只有一种振动 的伸缩振动。 具体讲有两种C≡N伸缩 的伸缩振动 。 具体讲有两种 伸缩 振动。 振动。
因此， 因此 ， 在对配体振动光谱的基础上 来研究配合物的振动光谱。 来研究配合物的振动光谱。 这样，就可以研究较复杂分子或低 这样， 对称性分子的配合物光谱并进行适当 计算。 计算。
3-1. 配体振动和骨架振动 金属配合物的振动光谱有三种基本 类型： 类型：
① 配体振动 实际上是游离配体的特性振动， 实际上是游离配体的特性振动，在形 成配合物后这种振动没有多大变化。 成配合物后这种振动没有多大变化。 知道了游离配体的振动光谱，就可标 知道了游离配体的振动光谱， 出配合物中相应的配体振动光谱， 出配合物中相应的配体振动光谱，从 而可知道相应的键。 而 位移相当于散射分子的振 动或转动能级之间的跃迁， 动或转动能级之间的跃迁，Raman 光谱是一种散射现象，它是由分子的 光谱是一种散射现象，它是由分子的 极化度随着分子的振动或转动形式而 极化度随着分子的振动或转动形式而 改变，则这种分子是拉曼活性的。 改变，则这种分子是拉曼活性的。因 此，它可以发生在异核分子中，也可 它可以发生在异核分子中， 以发生在同核分子中。 以发生在同核分子中。
如试样中的分子原来处于低能的基态E 如试样中的分子原来处于低能的基态 o， 非弹性碰撞时， 非弹性碰撞时，该分子吸收入射光分子的 一部分能量而跃迁到准激发 E’后又跃回 后又跃回 到一个较高的激发态E 到一个较高的激发态 1，则分子将获得能 量为E1-Eo, 而光子损失这部能量，频率为： 而光子损失这部能量，频率为： 量为 E’
红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)
到了六十年代，用光栅代替棱镜作分光器的第二代红 外光谱仪投入了使用。这种计算机化的光栅为分光部件的 第二代红外分光光度计仍在应用。
七十年代后期，干涉型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR) 投入了使用，这就是第三代红外分光光度计。
近来，已采用可调激光器作为光源来代替单色器，研制 成功了激光红外分光光度计，即第四代红外分光光度计， 它具有更高的分辨率和更广的应用范围，但目前还未普及。
第三章 红外光谱(IR)和拉曼光谱（Raman）
3.1引言 3.1.1红外光谱的发展
红外光谱（Infrared Spectroscopy,简称IR） 拉曼光谱（Raman）
分子光谱
两者得到的信息可以互补。
在十九世纪初就发现了红外线,到1892年有人利用岩盐棱 镜和测热幅射计(电阻温度计)测定了20多种有机化合物的 红外光谱。
1905年科伯伦茨发表了128种有机和无机化合物的红外 光谱，红外光谱与分子结构间的特定联系才被确认。
到1930年前后，随着量子理论的提出和发展，红外光 谱的研究得到了全面深入的开展，并且依据测得的大量物 质的红外光谱。
1947年第一台实用的双光束自动记录的红外分光光度计 问世。这是一台以棱镜作为色散元件的第一代红外分光光 度计。
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/（m1+m2） (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N,
M1、M2为原子量，N为阿佛加德罗常数。
m2=M2/N 。
μ为折合原子量
μ=
M1 M2 M1 M2
将π、c和N的数值代入(2)式，并指定将键力常数(见p 61 表3-1)中 的105代入。
键 H-C H-C C-C C=C C≡C C-O C=O C-Cl C≡N
红外光谱与Raman光谱法
15:39:57
苯衍生物的C=C
苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内 变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。
2000 1600
15:39:57
（3）C=O （1850 1600 cm-1 ） 碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。
饱和醛(酮)1740-1720 cm-1 ；强、尖；不饱和向低波数方向移动
共轭 2220 2230 cm-1 仅含C、H、N时：峰较强、尖锐； 有O原子存在时；O越靠近C N，峰越弱；
15:39:57
3． 双键伸缩振动区（ 1900 1200 cm-1 ）
（1） RC=CR’ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R’（对称）时，无红外活性。 （2）单核芳烃 的C=C键伸缩振动（1626 1650 cm-1 ）
指纹区(1350 650 cm-1 ) ,较复杂。
C-H，N-H的变形振动；
C-O，C-X的伸缩振动；
C-O的伸缩振动在1300～1000 cm-1是该区域最强的峰，也 较易识别。
C-C骨架振动等。精细结构的区分。 顺、反结构区分；
15:39:57
基团吸收带数据
伸 缩 振 动
基团吸收 带数据
15:39:57
红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收 谱带的强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴
定未知物的结构组成或确定其化学基团；
而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团 的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。
15:39:57
第二节 基本原理 一、产生红外吸收的条件
1 . 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃 迁能量相等 若把双原子分子（A-B）的两个原子看作两个小 球，把连结它们的化学键看成质量可以忽略不计的 弹簧，则两个原子间的伸缩振动，可近似地看成沿 键轴方向的简谐振动。
请简述 raman 光谱和红外光谱的联系和区别。
请简述 raman 光谱和红外光谱的联系和区别。
Raman光谱和红外光谱都是用于分析物质结构的非破坏性光谱技术，但它们的原理和应用略有不同。
Raman光谱是通过测量样品散射光的频率变化来分析样品结构的，
其原理是当激光照射样品时，光子与分子发生相互作用，发生Stokes
和Anti-Stokes散射。
Stokes散射是光子与分子相互作用后，使光子
的能量降低，频率下移，而Anti-Stokes散射则是光子的能量和频率
增加。
根据这种散射现象，我们可以得到Raman光谱，其中纵向振动
和横向振动的谱带代表了分子振动的信息。
Raman光谱主要用于分析分
子的振动和固体的结构，具有高灵敏度、高特异性和非破坏性的优点。
红外光谱则是通过测量在物质分子中的振动和转化所产生的细微
振动能谱来分析样品的结构，基于分子中化学键振动和伸缩等量性运
动导致的能量吸收。
当样品被红外光照射后，它会吸收一些频率特定
的光子，而吸收谱就是吸收频率和强度的正常分布。
其中纳米应力和
分子极性等都会影响谱线位置和强度。
红外光谱适用于分析样品中的
官能团和发现新化合物，特别是对无机分子分析效果更明显。
Raman光谱和红外光谱虽然分析原理不同，但它们的应用有重叠之处。
一些晶体的密度、对称性和结构等可由Raman光谱确定，而红外光谱可以用于测量无机物质的分子结构，例如金属氧化物和硫化物。
此外，Raman光谱和红外光谱都可用于表明分子的三维构象，特别是在药物分析中，因为分析药物造成的副作用，这一应用十分重要。
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点（可编辑）
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点掌握分子振动与红外活性;分子振动方式与振动数;基频、倍频与耦合频率;振动频率或波数与键力常数及折合质量的关系掌握红外光谱仪主要部件的方框图及构成材料了解色散型仪器与 FT -I R 仪器各自的特点了解常用固态及液态样品的制备技术熟练掌握官能团的特征频率及影响频率的因素能进行红外谱图解析了解拉曼位移的产生51.1 红外光谱法概述19世纪初人们通过实验证实了红外光的存在。
二十世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。
1950 年以后出现了自动记录式红外分光光度计。
随着计算机科学的进步,1970年以后出现了傅立叶变换型红外光谱仪。
红外测定技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱- 红外联用等也不断发展和完善,使红外光谱法得到广泛应用。
红外及拉曼光谱都是分子振动光谱。
通过谱图解析可以获取分子结构的信息。
任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定, 这是其它仪器分析方法难以做到的。
由于每种化合物均有红外吸收, 尤其是有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构信息, 因此红外光谱是有机化合物结构解析的重要手段之一。
5.1.2 红外光谱区域及其应用红外光谱属于振动光谱,其光谱区域可进一步细分如下:表5.1 红外波段的划分-1波段波长λ , μm 波数ν , cm 频率ν , Hz14 14近红外 0.78 2.5 12,800 4,0 0 0 3 .8x10 1 .2x1014 12中红外 2.5 50 4, 00 0 2 0 0 1 .2x10 6 .0x1012 11远红外 50 1 000 200 10 6 .0x10 3 .0x1014 13常用区域 2.5 25 4, 00 0 4 0 0 1 .2x10 1 .2x10红外光谱昀重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。
通过与标准谱图比较, 可以确定化合物的结构; 对于未知样品, 通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。
第二章 红外与Raman光谱(1)
22
2）指纹区1500~600 cm-1 吸收带多，整个分子振动转动引起的， 反映整个分子的特征。可用于鉴定两个化合 物是否同一化合物
23
2.6.1 影响特征吸收峰的结构因素 1. 化学键的强度
v 1 k 2 c
化学键越强, 力常数 k 越大，红外吸收 频率v越大。
C C
C C
C C
伸缩
-羧酸
NHCH-
3400~2500（缔合）
3500~3100 ~3300 3100~3010 3000~2850 2900~2700 （一般2820和2720）
伯，仲胺，酰胺
C C H
C C H (C6H5 H) C H O
C H
29
2400~1500cm-1（主要为不饱和键的伸缩振动吸收） 官能团 吸收频率（cm-1） ______________________________________________ C N 2260~2240 C C 2250~2100 酮，酸 1725~1700 醛，酯 1750~1700 C O 酰胺 1680~1630 酰氯 1815~1785 酸酐 1850~1800 和1780~1740 烯 1650~1640 C C 芳环 1600~1450（多峰）
39
4．样品物态和溶剂的影响：
由于不同物态的分子间作用力不同，因此同一物
质物理状态的改变也能引起振动频率的位移
一般高的聚集态的频率较低，有vg > vl > vs，例如 HCl由气态变为液态，频率减小约100 cm-1，再进 一步形成固体，则进一步下降20 cm-1左右。 由以上一些影响因素，可想到，溶剂对分子振动 频率也有影响，所以在实验上应采用对所测分子 的相互作用较小的溶剂，以避免溶剂的干扰
第十五章 红外光谱与拉曼光谱
(2）通常所用的S20光电倍增管的响应伙赖于入 射光的频率。
15.2拉曼光谱
2.拉曼光谱制样技术
拉曼光谱的信号强度与吸收介质的浓度呈 线性关系，而不是像红外光谱那样的对数关 系。但是到日前为止，应用拉曼光谱进行定 量分析的实例还不多。这主要是因为在采用 单光束发射的条件下，所测量的拉曼信号强 度明显地受到样品性质和仪器因素的影响。
15.1红外光谱
（l）溶液
尽管溶液制样技术在小分子化合物的红外光 谱测量中获得广泛应用，特别是在定量分 析中，这一制样技木具有很多优点。但在 高聚物的研究中却用得很少。这是因为难 于找到在红外辐射区既有良好的透明度， 又能溶解高聚物这样理想的溶剂。
15.1红外光谱
（2）薄膜的制备 ①溶液铸膜法 将高聚物用适当的溶剂洛解
（3）压片技术 压片技术中常用的分散介质—KBr，取高聚物样品约l－
2mg，研磨后和Kbr粉末100－200mg进行混研，待样品 与 KBr混合均匀，装人模具内放在油压机上加压成形， 使之成为透明的晶片。
（4）糊剂制样法 在 KBr压片的红外光谱中，常在3450和 1635cm-1
处出现强而宽的水吸收，很难完全除去。
极化率α是指分子在电场作用下，分子中电子 云发生变形的难易程度。极化率α与诱导偶极矩 D以及电场E有关，见下式
15.2拉曼光谱
3．拉曼光谱的主要参数 拉曼光谱的主要参数是拉曼位移，即频率
位移。
15.2拉曼光谱
实验设备及实验技术
激光拉曼光谱仪由以下部分组成：激光器（光 源）、样品光学系统、单色仪和接收器，电子线 路和记录器系统。 在记录拉曼光谱时应注意外（IR）和拉曼（Raman）光谱在高聚物 研究中占有十分重要的地位，它们是研究 高聚物的化学和物理性质及其表征的基本 手 段 。 红 外 光 谱 技 术 发 展 到 60 年 代 末 ， 已 为高聚物的研究提供了各种信息。至今， 已逐渐扩展到多种学科和领域，应用日趋 广泛。随着激光技术的发展，激光拉曼光 谱器问世以来，拉曼光谱在高聚物研究中 的应用也日益增多。
第三章 红外与拉曼光谱分析
对称伸缩： 反对称伸缩：
弯曲振动：
10:48:17
2.1.3 分子振动形式与谱带
1、伸缩振动（ ）：沿键轴伸与缩的振动。 即
键长有变化而键角无变化。如亚甲基：
： 2853
s
10:48:17
： 2926
as
2、弯曲振动（δ）：键角发生周期性变化的振动， 键长不变。如亚甲基
C－H面内 弯曲振动 ＝C－H面 外弯曲振 动
1470~1430，1380~1360 （CH3） Ar－H面外 1485~1445 （CH2） 弯曲振动 995~985，915~905（单取代烯） 980~960（反式二取代烯） 690（顺式二取代烯） ≡C－H面外 895~885 （同碳二取代烯） 弯曲振动 840~790（三取代烯）
-1 -1-1 , 1685cm -1 -1 -1 , -1 -1 cm 1685 cm 1660 cm νC=O 1715 1715cm , 1680cm 1660cm 1685 cm
(3)场效应:分子内的邻近基团通过空间偶极场作用,使电子 云分布改变、振动频率变化的现象。该效应不是通过化学键 来传递，它是由立体结构上相互靠近的基团的静电场通过空
愈高
如—CC —>—C =C —>—C — C —；
— C=O >C-O —
3）折合原子质量相同的基团ν(伸缩) >β(面内) >γ(面
外) 如 νC-H
10:48:17
> βC-H
> γ
C-H
2.2.2 影响振动频率内部因素
振动频率受分子内部结构和外部因素影响。相同 基团特征吸收并不总在一个固定频率上。 1．电子效应
V 1 L
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r e
ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子；
红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.
②拉曼活性振动 诱导偶极矩 ρ = αE 非极性基团，对称分子；
拉曼活性振动—伴随有极化率变化的振动。 对称分子：
对称振动→拉曼活性。 不对称振动→红外活性
4.选律 ν1S C Sபைடு நூலகம்
振 动 自 由度： 3N- 4 = 4
Rayleigh (Elastic) Scattering
Actually the effect is MUCH stronger than Raman scattering
Stokes 1st order
Anti-Stokes 1st order
Stokes 2nd order
-500
0
500
1000
5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。
6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I. C-O键与C-C键的力常数 或键的强度没有很大差别。II. 羟基和甲基的质量仅相差2 单位。 III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。
7）有些材料尽管可以用红外谱研究，但Raman谱研究也许更 方便，或者能提供补充信息。
• Raman光谱更适合研究生物分子，因为红外对水特别敏 感，不能用水溶液。而Raman可以。 •共振Raman散射对于研究有机分子常常更有优势。
• 无机材料Raman光谱比红外光谱更适宜用于振动谱研 究。
• 特别是很多无机材料溶于水。
E0基态， E1振动激发态； E0 + hν0 ， E1 + hν0 激发虚态；
获得能量后，跃迁到激发虚态.
（1928年印度物理学家Raman C V 发现；1960年快速发展）
1. Raman散射 E1 + hν0 Raman散射的两种 E2 + hν0
跃迁能量差：
∆E=h(ν0 - ∆ν) 产 生 stokes 线 ； 强
拉曼活性
ν2 S C S
红外活性
ν3 S C S
ν4
红外活性
红 外 光谱 —源 于偶 极 矩变 化 Raman光 谱 —源于 极 化 率变 化
对 称 中 心 分 子 CO2，CS2等 ， 选 律 不 相 容 。
无 对 称 中心 分 子（ 例如 SO2等 ） ，三 种 振动 既 是 红外 活 性振动，又是拉曼活性振动。
• 传统投射式红外谱仪适合中红外波段应用。 • FTIR谱仪更适合在远红外波段应用，但现在也已经普
遍应用于中红外波段。
• FTIR使用的光学元件较少，不用狭缝，因此光通量大。 此外，测量比较节约时间。
红外光谱测量中使用的元器件
• 光源：钨灯用于近红外、电热棒用于中红外、高压水 银弧光灯用于远红外波段。（同步辐射光源）
谱带， 随单键→双键→三键谱带强度增加。 2）红外光谱中，由C ≡N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一
般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。
3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称 伸缩振动是强谱带，反这类键的对称伸缩振动是弱谱带。 红外光谱与此相反。
2. Raman位移
对不同物质： ∆ν不同； 对同一物质： ∆ν与入射光频率无关；表征分子 振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据； Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导 偶极距ρ
ρ = αE α 分子极化率；
Raman散射的经典理论
6
3.红外活性和拉曼活性振动
eE
①红外活性振动 ⅰ永久偶极矩；极性基团；
红外和Raman光谱分析
第一章：红外和Raman光谱介绍
• 什么是红外光谱？什么是Raman光谱 • 红外谱仪和 Raman谱仪 • 红外光谱和Raman光谱方法的特点 • 红外光谱和Raman光谱研究的基本问题
Raman Intensity (a.u.)
Raman Spectrum of Si (300 K)
5
Raman散射基本原理
Rayleigh散射：
激发虚态
h(ν0 - ∆ν)
弹性碰撞；
无能量交换，仅
改变方向； Raman散射：
hν0
非 弹性碰撞
E1 + hν0 E0 + hν0
hν0 hν0
hν0 + ∆ν
；方向 改变且有 E1
V=1
能量交换；
E0
V=0
Rayleigh散射
Raman散射 h ∆ν
Raman Shift (cm -1)
更全面了解Raman Spectrum
红外和Raman光谱的比较
1
红外光谱仪光路示意图
2
FT-IR谱仪工作原理
FT-IR谱仪是基于Michelson干涉仪
单色光λ入射，干涉强度的变化
两列单色光λ1 、λ2入射，干涉强度的变化
普通光入射后，干涉强度的变化
传统红外光谱仪和FTIR谱仪特点
Raman光 谱 应 用
由 Raman光谱 可 以获 得 分子 和 固体 材 料振 动 谱特 征， 由此 可 以 获得分子各种结构信息和固体材料结构、组分等各种信息。
对于有机分子，Raman可以用来进行研究，但是红外相对于 Raman的优点是前者方便定量化。 1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，C≡C产生强拉曼
• FTIR谱仪更适合在远红外波段应用，但现在也已经普 遍应用于中红外波段。
• FTIR使用的光学元件较少，不用狭缝，因此光通量大。 此外，测量比较节约时间。
其它红外光谱测量方法
• 红外光谱的测量有很多方法，这些方法可分为：色散 法、FTIR和非色散法（滤波法）。
• 非色散法多用于特定的检测。例如用于气体的分析等。 优点是方便使用，缺点是参数变动困难。
• 针对特殊的样品和特殊的需要，有很多特殊的红外测 量方法。如光电导法、辐射量热法、光声光谱法、光 热光谱法、反射式、内反射式、消逝波式等
反射测量方法
3
内反射测量方法
• 光电导测量 • 量热法 • 1-辐射量热法 • 2-光声光谱法 • 3-光热光谱法
4
红外光谱能够得到的信息
分子振动模式
分子振动模式
；基态分子多；
∆E=h(ν0 + ∆ν) 产 生 反 stokes 线 ；
弱；
h(ν0 - ∆ν) E1 V=1 E0 V=0
STOKES
Raman位移：
Raman 散射 光与 入
射光频率差∆ν； ν0 - ∆ν
hν0 h(ν0 + ∆ν) h ∆ν
ANTI-STOKES
Rayleigh
ν0
ν0 + ∆ν