拉曼散射
拉曼散射的原理和应用
拉曼散射的原理和应用1. 拉曼散射的基本原理拉曼散射是一种非弹性散射光谱技术，它基于分子或晶体中光与物质相互作用的现象。
拉曼散射是在分子或晶体中，光与物质作用后，散射光的频率发生变化的现象。
1.1 斯托克斯拉曼散射斯托克斯拉曼散射是一种光的频移散射，在分子或晶体中，散射光的频率比入射光的频率低，即红移现象。
这是因为光与物质作用后，光的能量部分被转移到分子或晶体的振动模式上，导致散射光的频率降低。
1.2 反斯托克斯拉曼散射反斯托克斯拉曼散射是一种非弹性散射光谱技术，其散射光的频率比入射光的频率高，即蓝移现象。
此种现象是由于光与物质作用后，光的能量从分子或晶体的振动模式转移到光的频率高于入射光的振动模式上。
2. 拉曼散射的应用领域拉曼散射作为一种非常重要的光谱技术，已经在许多领域得到广泛应用。
以下是拉曼散射的几个主要应用领域。
2.1 材料科学拉曼散射技术在材料科学领域具有重要的应用价值。
通过拉曼光谱分析，可以确定材料的组成、结构和纯度，并研究材料中的谐振模式、振动模式和晶格动力学等性质。
2.2 化学分析拉曼散射技术在化学分析中也被广泛应用。
通过对物质的拉曼光谱进行分析，可以识别化学物质的成分和结构，实现对复杂混合物的定性和定量分析，有助于解决环境监测、食品质量检测、药物研发等领域中的化学分析问题。
2.3 生物医学研究拉曼散射技术在生物医学研究中具有广阔的应用前景。
通过对生物样品的拉曼光谱分析，可以实现对细胞、组织和体液等生物样品的非破坏性分析，为生物医学研究提供了一种方便、高效、无损伤的分析手段。
2.4 环境监测拉曼散射技术在环境监测领域也得到了广泛的应用。
通过对环境中的污染物进行拉曼光谱分析，可以实现对空气、水、土壤等环境样品中有机、无机污染物的快速检测和定量分析，为环境污染监测和治理提供有力的技术支撑。
3. 拉曼散射技术的优势和局限3.1 优势•非破坏性：拉曼散射技术无需对样品进行处理或破坏性分析，对于具有生物活性的样品非常适用。
拉曼 原理
拉曼散射原理拉曼散射是一种光学现象，描述了光在物质中发生频率变化的过程。
它是由印度物理学家拉曼于1928年发现的，因此得名拉曼散射。
基本原理拉曼散射是一种非弹性散射现象，当光线穿过物质时，与物质分子相互作用，部分光子的能量发生改变，频率发生变化。
这种频率变化可以是光子能量的增加（反斯托克斯拉曼散射）或减少（斯托克斯拉曼散射）。
拉曼散射的原理可以通过量子力学中的光与物质相互作用的描述来解释。
当光线通过物质时，光与物质中的分子发生相互作用。
根据量子力学，物质中的分子具有不同的能级，当光与分子相互作用时，光子的能量可以被分子吸收或释放。
具体来说，拉曼散射是由于光与物质中的分子之间的库伦相互作用引起的。
当光通过物质时，光子与分子发生相互作用，引起分子的振动和转动。
这些振动和转动会导致分子的极化，从而改变光的频率。
根据量子力学的描述，分子的振动和转动会导致分子能级的变化。
当光与分子相互作用时，光子的能量可以被分子吸收或释放。
当光子的能量被吸收时，光的频率减小，这被称为斯托克斯拉曼散射。
当光子的能量被释放时，光的频率增加，这被称为反斯托克斯拉曼散射。
拉曼散射光谱拉曼散射光谱是通过测量散射光的频率变化来研究物质的一种方法。
由于拉曼散射是非弹性散射，所以散射光的频率会发生变化，这种变化可以通过光谱仪来测量。
拉曼光谱仪通常由以下几个主要部分组成：激光器、样品室、光谱仪和探测器。
激光器产生单色光，用于照射样品。
样品室用于容纳样品，并确保激光光束与样品相互作用。
光谱仪用于分离散射光的频率，并测量其强度。
探测器用于将散射光转化为电信号，并记录光谱。
通过测量散射光的频率变化，可以得到拉曼光谱。
拉曼光谱通常由两个主要的峰组成：斯托克斯峰和反斯托克斯峰。
斯托克斯峰位于激光光谱的低能量一侧，其频率比激光光谱低。
反斯托克斯峰位于激光光谱的高能量一侧，其频率比激光光谱高。
拉曼光谱可以提供有关物质的结构和化学成分的信息。
不同的分子和化合物具有不同的拉曼光谱特征，因此可以通过比较拉曼光谱来确定物质的组成和性质。
拉曼散射原理
拉曼散射（Raman scattering）拉曼散射原理：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，又称拉曼效应。
1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。
1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。
拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。
拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。
作用：以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi 振动，极化率拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉类型：拉曼散射共分为两类型1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）当一些分子被吸附到某些粗糙的金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉（见电极化率）也以vi 为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi 两种频率的耦合产生了v0、v0+vi 和v0-vi 三种频率。
频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。
拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。
曼光谱学的一分支。
用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。
自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象[1]。
入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。
拉曼散射原理的应用
拉曼散射原理的应用1. 简介拉曼散射是一种非弹性散射现象，其原理基于拉曼效应。
拉曼散射原理的应用涵盖了多个领域，包括材料科学、生物医学、环境监测等。
通过分析样品散射的光谱信息，可以获取有关样品的结构、成分和特性等重要信息。
2. 原理拉曼散射是一种非弹性散射现象，与样品分子的振动和旋转相关。
当光线与样品相互作用时，部分光子的能量会改变，从而导致散射光的频率发生偏移。
这种频率的偏移称为拉曼位移，其大小与样品的分子结构和振动特性有关。
在拉曼散射过程中，主要有两个产生频率偏移的机制：基态拉曼散射和振子拉曼散射。
基态拉曼散射是由于分子的弹性振动而产生的，频率偏移通常在几个十的波数范围内。
振子拉曼散射则是由于样品的振动模式（如伸缩、扭转和弯曲等）而产生的，频率偏移范围更大。
3. 应用领域3.1 材料科学•纳米材料研究：拉曼散射可以用于表征纳米材料的晶格结构和表面形貌。
通过对纳米材料的拉曼光谱进行分析，可以获得其晶相、畸变度和应变等信息。
•半导体研究：拉曼散射可用于表征半导体材料的结晶质量和缺陷态。
通过拉曼散射光谱的峰位和峰形分析，可以确定半导体材料的禁带宽度、声子能级和残余应变等。
3.2 生物医学•生物分子结构研究：拉曼散射可以用于分析生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构和构象。
通过测量生物分子的拉曼光谱，可以揭示其分子键的振动情况和分子的二级结构。
•药物分析：拉曼散射可用于药物的质量控制和成分分析。
通过拉曼光谱的定性和定量分析，可以判断药物的成分和含量，以及检测其中的杂质。
3.3 环境监测•大气污染监测：拉曼散射可用于大气中有害气体（如二氧化硫、氮氧化物和臭氧等）的检测和监测。
通过拉曼光谱分析，可以快速确定大气污染物的浓度和类型。
•水环境检测：拉曼散射可以用于水中有机物和无机物的检测。
通过拉曼光谱的特征峰分析，可以识别水中的有毒物质和污染物，并进行定量分析。
4. 总结拉曼散射原理的应用涵盖了材料科学、生物医学、环境监测等多个领域。
拉曼散射
拉曼散射当波束为0ν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51--，这类散10cm射称为瑞利散射；第二类，其波数变化大约为10.1cm-，称为布利源散射；第三类是波数变化大于11cm-的散射，称为拉曼散射；从散射光的强度看，瑞利散射最强，拉曼散射最弱。
在经典理论中，拉曼散射可以看作入射光的电磁波使原子或分子电极化以后所产生的，因为原子和分子都是可以极化的，因而产生瑞利散射，因为极化率又随着分子内部的运动（转动、振动等）而变化，所以产生拉曼散射。
在量子理论中，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，光量子与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，如图（1a ）；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，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值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，称为频率较低的光（斯托克斯线），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 ，如图（1b ），这时的光量子的频率为0ννν'=-∆；当分子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），以较大的频率散射，称为频率较高的光（反斯托克斯线），这时的光量子的频率为0ννν'=+∆。
如果考虑到更多的能级上分子的散射，则可产生更多的斯托克斯线和反斯托克斯线。
最简单的拉曼光谱如图2所示，在光谱图中有三种线，中央的是瑞利散射线，频率为0ν，强度最强；低频一侧的是斯托克斯线，与瑞利线的频差为ν∆，强度比瑞利线的强度弱很多，约为瑞利线的强度的几百万分之一至上万分之一；高频的一侧是反斯托克斯线，与瑞利线的频差亦为ν∆，和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧，强度比斯托克斯线的强度又要弱很多，因此并不容易观察到反斯托克斯线的出现，但反斯托克斯线的强度随着温度的升高而迅速增大。
拉曼散射
E1 + h0 E2 + h0
（2）、每一种物质(分子)有自己的特征拉曼光谱，可用拉曼光谱表征物质。
（3）、每一物质的拉曼频率位移（入射频率与散射频率之差)与入射 光的频率无关。
（4）、拉曼散射是瞬时的，入射光消失后10-11~10-12s内散射光消失。 （5）、拉曼谱线的宽度比较窄，且成对出现，即具有数值相同的正 负频率差，比入射光波长短的为反斯托克斯线，波长长的为斯托克斯 线。 （6）、分子做拉曼散射的同时，也有强度很大的瑞利散射。
不进行能量交换，只改变传播方向
散射分类： 瑞利散射、米氏散射
非弹性散射：散射光频率发生变化，二者交换能量，
传播方向发生改变
布里渊散射、拉曼散射
拉曼散射（Raman scattering）：光通过介质时由于入射光 与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼 效应。
3、Raman散射基本原理
stokes线
h(0 - )
E1 V=1
h
E0 VHale Waihona Puke 03、Raman散射基本原理
另一种是分子处于激发态振动能级，与光子碰撞后，分子从 入射光子获取确定的能量hν1达到较高的能级。则散射光子 的能量变为h（ν0+ν1）= hν，频率增加至ν0+ν1 。形成能量 为h（ν0+ν1）、频率为ν0+ν1的谱线。正拉曼位移，即ν0+ν1 称为反Stokes线（反斯托克斯线）。
拉曼散射 斯托克斯光和反斯托克斯光
拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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1.2 概述斯托克斯光和反斯托克斯光。
拉曼散射经典物理解释
拉曼散射经典物理解释
拉曼散射是一种非弹性光散射过程，具体指入射光与拉曼介质相互作用时，散射光相较于入射光在频率上会有所不同。
经典理论解释了拉曼散射的实验现象：光波在介质中产生周期性电场、角频率为ω0，介质分子以ωj振动、极化率也有同频率的振动，可以计算介质
的感应电偶极矩的振动。
介质的感应电偶极矩振动，不仅有ω0项、还有(ω0±ωj)项，这就是Raman散射。
虽然Raman光的出现可以用经典光的
二次谐波解释，但经典理论无法说明为什么Stokes光比anti-Stokes光更强。
以上信息仅供参考，如果还有疑问，建议查阅物理专业书籍或咨询物理学家。
拉曼散射效应
S 0
S 0
Spotaneous Emission Probability
Spontaneous Emission Probability
e d c b a
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Scattering frequency (103cm-1)
e d c (*1.5) b (*25) a
1.5 拉曼光谱
拉曼（Raman），印 度物理学家。1921年 开始研究并在1928年 发现了光散射的拉曼 效应，1930年获得了 诺贝尔物理奖。和汤 川秀树（日）一起成 为仅有的两位没有受 过西方教育的诺贝尔 科学奖得主。为表彰 拉曼对印度科学进步 所作的巨大贡献，印 度政府将2月28日定为 “拉曼节”。
(
i*
id
d
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* d
dj
j
)d
在普通拉曼光谱中，中间态不是分子的本征态（通
常是个虚拟态），使吸收和散射的几率都很小。
在共振拉曼光谱中，由于激发光源频率落在被照射 分子的某一电子吸收带以内，使虚拟态变成了本征 态，从而大大增加了分子对入射光的吸收强度。
共振拉曼光谱对实验技术的特殊要求：
~ (1 2 )~
大拉曼位移
振动拉曼光谱的精细结构
跃迁选律
v 1 J 0, 2
J 2 J 0
~O (1 2 )~ 4B(J 3 / 2)
~Q (1 2 )~
J 2 ~S (1 2 )~ 4B(J 3 / 2)
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Scattering frequency (103cm-1)
Spotaneous Emission Probability
光纤_拉曼散射__解释说明
光纤拉曼散射解释说明1. 引言1.1 概述本篇文章将详细讨论光纤中的拉曼散射现象及其在光通信中的应用。
光纤是一种能够传输光信号的非常重要的传输介质，它具有低损耗、高带宽和抗干扰等特点，因此在信息传输领域得到了广泛应用。
而拉曼散射作为一种重要的光学效应，在光通信领域也具有着重要的意义。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行探讨。
首先是引言部分，对文章的主题进行概述和解释。
接下来第二部分将详细介绍光纤的定义、制作工艺以及其在各个领域中的应用。
第三部分将介绍拉曼散射的原理和基本概念，并探讨其在光通信中的应用情况以及未来发展方向。
第四部分将解释说明光纤中出现拉曼散射现象的机制和起因，并探讨影响其强度和频移的因素，以及如何利用该现象进行信息传输和信号放大。
最后结论部分将总结本文的主要内容和取得的研究成果，并展望光纤拉曼散射领域的未来发展趋势。
1.3 目的本文旨在解释和阐述光纤中的拉曼散射现象，并探讨其在光通信中的应用。
通过深入分析光纤和拉曼散射相关理论知识，以及探讨其实际应用案例，目的是为读者提供对该主题更全面深入的了解，并对光纤拉曼散射领域未来的发展方向提出展望和建议。
2. 光纤2.1 定义与特点光纤是一种由高折射率的质量中心（称为“光芯”）和低折射率盖层（称为“包层”）组成的细长物体。
其主要特点包括高带宽、低损耗、较高的传输容量、抗电磁干扰和轻便灵活等。
2.2 光纤的制作与结构光纤的制造通常涉及将玻璃或塑料材料加工成具有核心和包层的细丝。
制造过程中，首先通过拉伸和降温，将玻璃或塑料预制棒成为细丝，然后利用化学蒸镀或涂布技术在其中形成核心和包层。
核心具有高折射率以催化光信号传输，而包层则能使光信号沿着核心保持传播。
2.3 光纤的应用领域由于其优良的特性，光纤在许多领域得到了广泛应用。
其中最重要的领域是光通信，它使得大量数据可以以极快速度通过远距离进行传输。
此外，光纤还被应用于医学、军事、传感器技术和工业等领域中的实时图像传输、激光器、测量设备以及信号放大等方面。
拉曼光谱
拉曼散射拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。
又称拉曼效应。
1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。
1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。
拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。
拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。
以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi振动，极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。
频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。
拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。
拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。
用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。
自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象[1]。
拉曼散射共分为两类型：1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。
共振拉曼光谱是激发拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）拉曼谱线强度显著增加，提高了检测的灵敏度，适合于稀溶液的研究，这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用；（2）可用于研究生物大分子中的某一部分，因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团，其他部分可能因为激光的吸收而被减弱；（3）从共振拉曼的退偏振度的测量中，可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。
拉曼散射课件
拉曼（Raman）散射光谱
1
一 、什么是拉曼散射光谱 1. 入射光子与分子之间的相互作用 透过（吸收）：大约占入射光子的99.9%
散射: 大约占入射光子的0.1%
2
Rayligh散射(弹性碰撞）
散射
拉曼散射(散射光子与分子之间发生能量交换)
约占全部散射光的0.1%
3
2. 拉曼散射光谱定义 散射后,散射光的频率不等于入射光能量vo，而是等于vi， 该散射现象称为拉曼散射，据此原理所获光谱成为拉曼散 射光谱
拉曼散射强度与分子极化率成正比例关系 分子极化率大小可定性地用振动所通过的平衡位置两边电 子云形状差异的程度来估计
8
红外非活性 拉曼活性
红外活性 拉曼非活性
9
10
11
4
vo 与vi 的关系
5
动能级的变化
6
二、拉曼散射光谱
Stokes线：分子从光子处获得能量而跃迁至振动
激发态
拉曼光谱
反Stokes线：分子交出能量给光子并由振动激发 态回到基态
Stokes线的强度远大于反 Stokes线的强度
7
三、拉曼散射光谱与分子极化率的关系
第3章拉曼——精选推荐
第3章拉曼第3章激光拉曼散射光谱法3 - 1 拉曼散射光谱基本概念⼀. 拉曼散射及拉曼位移拉曼光谱为散射光谱。
当⼀束频率为ν0的⼊射光照射到⽓体、液体或透明晶体样品上时，⼀部分光被吸收，⼤部分光沿⼊射⽅向透过样品，⼤约有0.1％的⼊射光被散射掉。
如果⽤－光谱仪在某－⽅向，例如与⼊射光垂直的⽅向可观测到这种散射光的光谱。
这部分散射光有两种情况：⼀种是光⼦与样品分⼦发⽣弹性碰撞，即在两者之间没有能量交换，这种光散射称为瑞利散射．此时散射光的频率与⼊射光的频率相同；另⼀种是光⼦与样品分⼦发⽣⾮弹性碰撞，即在碰撞时有能量交换，因⽽产⽣的散射光的频率与⼊射光的频率不同，这种光散射称为拉曼散射。
在拉曼散射中：若光⼦与处于基态的分⼦发⽣⾮弹性碰撞，光⼦把⼀部分能量给样品分⼦，样品分⼦被激发到较⾼的振动激发态，⽽⼊射辐射变成能量为h(ν0-ν) 的散射，也即得到的散射光能量减少，测量到的散射光中，可以检测频率为(ν0-ν=ν0 －△E /h )的线，称为Stokes 线，如果它是红外活性的话，△E /h 的测量值与激发该振动的红外频率⼀致。
若光⼦与处于振动激发态的分⼦发⽣⾮弹性碰撞，该分⼦可以将其额外的能量给光⼦，⽽⾃已恢复到基态，这时散射光具频率(ν0 +ν=ν0 +△E /h )，在⼤于⼊射光频率处接收到散射光线，为反Stokes 托克斯线。
∴：⽤光谱仪在与⼊射光垂直的⽅向可观测到：－条与⼊射光频率完全相同的谱带------瑞利散射带在其低频侧出现的----- Stokes线在其⾼频侧出现的----- 反Stokes线Stokes线（或反Stokes）—υ⼊射＝△υ称为拉曼位移拉曼光谱图：拉曼位移△υ------- 横坐标（以波数为单位）拉曼散射光强度-------纵坐标⼊射光波数-------作为零，定位在横坐标右端。
拉曼位移的⼤⼩与⼊射光的频率⽆关，只与分⼦的能级结构有关。
不同物质：∵有不同的振动和转动能级，∴有不同的拉曼位移△υ；同⼀物质：υ⼊不同，所产⽣的υ拉曼不同，但其△υ却是⼀个确定的值。
03_13_拉曼散射
I Raman S
2 2 2 h ( 0 k )4 exp( h k / kT ) g v ( ij )0 —— g v 为给定分子振动的简并度 c [exp( h k / kT ) 1] Qk 2 2 2 h ( 0 k )4 g v ( ij )0 c [exp( h k / kT ) 1] Qk
3) 一般情况下 Stocks 线的强度都大于 Anti-Stocks 线。 2 拉曼散射的量子解释 能量为 h 0 的单色光光子与振动分子相互作用可视为碰撞过程。有两种碰撞：弹性碰撞和非弹性碰 撞。在弹性碰撞中，不发生能量交换，光子只改变运动方向，这就是瑞利散射。非弹性碰撞则不仅 改变光子的运动方向，而且发生能量交换，这就是拉曼散射。发生碰撞时，能量交换过程可用能级 跃迁图予以说明。 在基态和激发态均有大量分子，当它们受能量 h 0 的入射光子 碰撞后，激发到各自的激发虚态。由于激发虚态不稳定，迅速 自发向下跃迁，辐射一个光子。若光子能量 h 0 ，分子回到初 始能级，即对应弹性碰撞的瑞利散射，若基态的分子通过碰撞 后跃迁到激发态上， 辐射光的频率为 0 k 这种非弹性碰撞所 产生的散射光为散托克斯线；若激发态的分子通过碰撞跃迁到 基态，则辐射光的频率为 0 k ，这种非弹性碰撞所产生的散 射光为反射托克斯线。 量子力学解释还可很好地说明斯托克斯线光强大于反斯托克斯线的问题。因为在热平衡时各能级的 分子数遵守玻尔兹曼分布律，该分子体系产生的斯托克斯线和反斯托克斯线的强度应分别对应各自
对应于分子的转动、振动能级( E h 0 h s hc )之间的跃迁范围。 拉曼散射的频移
从散射光的强度来看， 瑞利散射最强， 是入射光的 10 左右， 拉曼散射最弱， 通常约为人射光的 10 。 拉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，其散射线的数目，频移量的大小， 谱线强度及偏振特性反映了散射分子的结构、原子的空间排列和相互作用的强弱，因此拉曼散射光 谱揭示了分子和晶体的结构、组分、排列对称性及相互作用的信息。 1960 年激光的诞生，提供了强度、单色性和方向性极好的光源，以及高质量、低杂散光的单色仪和 高灵敏度的微弱信号检测系统出现以后(多级光电倍增管，CCD 器件)，拉曼散射光谱技术得以迅速 发展。除了传统的线性拉曼光谱技术外，还发展了许多新的线性和非线性激光拉曼光谱技术，目前 它已成为科研和应用技术强有力手段。 1 拉曼散射的经典电磁辐射理论 入射光的电矢量在分子中感应出一个振荡电矩，因而产生辐射。如果分子是静止的，则发出和入射 光频率相同的散射光。如果分子有振动或转动，散射光被分子振动或转动的频率所调制。因此，散 射光中除了入射光频率以外，还有与分子振动和转动有关的光成分。 在人射光场作用下，介质分子将被极化产生感应电偶极矩。当入射光场不太强时，感应电偶极矩 P 与入射光电场 E 呈线性关系： P E 式中。 称为极化率张量，通常情况 P 和 E 不在同一方向，因此 是一个 3×3 矩阵的二阶张量
拉曼散射强度和温度效应
拉曼散射强度和温度效应
拉曼散射是一种非弹性散射现象，当光经过物质时，其中的分子或晶格发生振动，产生散射光，其频率和入射光不同，称为拉曼散射光。
拉曼散射光的强度与温度有一定的关系。
1. 温度引起晶格振动增强：随着温度的升高，晶格中的分子或原子振动增强，导致拉曼散射光的强度增加。
这是因为拉曼效应的产生需要晶格的振动引起光子的能量改变，而高温下晶格振动增强，使得产生拉曼散射的概率增加，因此拉曼散射强度随温度升高而增加。
2. 激发态浓度随温度变化：在液体或气体中，拉曼散射的强度与激发态分子或原子浓度有关。
随着温度的升高，激发态分子或原子的浓度可能发生变化，导致拉曼散射强度发生变化。
例如，在液体中，高温下由于热激发，激发态分子的浓度增加，使得拉曼散射强度增加。
总之，拉曼散射强度与温度有关，主要是因为温度引起晶格振动增强和激发态浓度随温度变化。
因此，通过测量拉曼散射强度的变化，可以了解材料中分子或晶格的振动信息和温度变化等。
拉曼散射效应
拉曼散射效应拉曼散射效应（Raman scattering）是指当光线与物质相互作用时，发生光的频率变化的现象。
这种现象是由印度物理学家拉曼于1928年发现的，因此被命名为拉曼散射效应。
拉曼散射效应是一种光的非弹性散射现象，与光的弹性散射（即瑞利散射）不同。
在光的弹性散射中，光线与物质相互作用后，只改变了光的传播方向，而光的频率保持不变。
而在拉曼散射中，光线与物质相互作用后，除了改变传播方向外，还发生了光的频率变化。
拉曼散射效应的发生是由于光与物质分子之间的相互作用。
当光线与物质相互作用时，物质分子会吸收光的能量，并发生振动。
这种振动会导致物质分子的极化程度发生变化，从而改变了光的频率。
具体来说，当光线与物质相互作用时，其中一部分光子会被散射出去，而散射光的频率与入射光的频率有所不同。
这种频率差异被称为拉曼频移。
根据拉曼频移的大小和方向，可以获得物质分子的结构和振动信息。
拉曼散射效应在科学研究和应用领域具有广泛的应用。
它可以用于研究物质的结构和性质，例如确定分子的化学组成、鉴定物质的晶体结构等。
此外，拉曼散射还可以用于生物医学领域，例如检测和诊断疾病，研究生物分子的结构和功能等。
在实际应用中，为了增强拉曼散射效应的信号强度，常常会采用拉曼散射增强技术。
这种技术利用一些特殊的材料或结构来增强物质与光的相互作用，从而增强拉曼散射效应的信号强度。
拉曼散射效应是光与物质相互作用时发生频率变化的现象。
它在科学研究和应用领域具有重要的意义，可以用于研究物质的结构和性质，以及在生物医学领域的应用等。
通过研究和利用拉曼散射效应，我们可以更深入地了解物质的本质和特性，为科学与技术的发展提供重要的支持。
拉曼散射
入射光
分子
分子
散射光
瑞利散射（散射光与入射光频率相同）
入射光 分子
分子振动
散射光
拉曼散射（散射光与入射光频率不同）
Raman效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光, 因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上 能级概念说明了Raman效应。下图是说明Raman效应 的一个简化的能级图。
设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当 受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化(诱导 极化)可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散 射光。设电子仍回到初始的电子态，发射光和激发光频率的 关系有三种,对应三种谱线。瑞利线---散射光中与入射光频率 相同的谱线,喇曼线---散射光中与入射光频率不同的谱线,把频 率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线,把频率大于入射光 频率的谱线称为反斯托克斯线。
拉曼光谱的缺点和主要困难
拉曼散射信号弱（比荧光光谱平均小2－3数量级）。 激光激发强。 拉曼信号频率离激光频率很近。 激光瑞利散射比拉曼信号强1010－1014，对拉曼信号干扰
很大。 拉曼光谱仪器的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高
灵敏度（体现在弱信号检测的高信噪比 ），才能有效地 收集拉曼谱。
拉曼偏振
composition of material
物质的组成
stress/strain State 张力 / 应力
e.g. MoS2, oO3
e.g. Si 10 cm-1 shift per % strain
crystal symmetry and e.g. orientation of CVD
拉曼散射原理
拉曼散射原理
拉曼散射原理是用来研究和分析物质结构以及物性的一种物理学原理。
它可以用来研究物质中不同原子的结构，例如分子及其结构、均质晶体的结构等。
它的原理是，当一个物质受到电磁波的照射时，它会发生拉曼散射。
如果波长符合色散关系，则吸收的电磁波强度可以与相对应的光谱线进行对比，从而得出被谱线分解成拉曼分子振动模式的结果。
拉曼散射最初是预测性的，但现在主要用于验证性研究中。
它能够给出物质中原子组成结构的特定信息，例如，它可以用来确定和推断物质的精确组成，以及它们的构象。
同时，拉曼散射也可用来研究物性，帮助研究者理解物质的性质。
而且，它还可以用来研究物质的结构及其动态性质，从而帮助研究者研究物质的复杂性，甚至探究存在于纳米尺度中有趣的化学反应。
总而言之，拉曼散射是一项强有力的分析技术，它可以用来研究物性、结构和性质。
它可以帮助科学家对物质的不同体系进行研究，深入了解它们的性质及其形成机制，揭示它们的作用机理，在不同的科学研究领域中发挥重要的作用。
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在 380 和 450cm-1 处出现两个归属为晶相
和 的谱峰，而担载型
晶相硫化钼的谱峰比晶相硫化钼的谱峰宽得多。钴助剂的加入导致硫化钼的谱峰
发生位移，强度减弱，这是由于
相以及黑色的 相的形成造成的。
z 拉曼光谱可以监测水果表面残留的农药
在处理好的水果表面撕取一小片果皮,在水果表面分别滴上一滴不同的农药, 农药就会浸润到果皮上。用吸水纸擦拭果皮上的农药液体,然后把残留有农药的 果皮压入铝片的小槽中,保证使残留农药:
天然鸡血石的拉曼光谱:
仿造鸡血石的拉曼光谱:
上两个图中,a 是地（黑色），b 是血（红色）
查阅资料，对不同物质的拉曼光谱进行比对，可以知道，天然鸡血石“地” 的主要成分为地开石，天然鸡血石样品“血”既有辰砂又有地开石,实际上是辰 砂与地开石的集合体。仿造鸡血石“地”的主要成分是聚苯乙烯-丙烯腈，“血” 与一种名为 PermanentBordo 的红色有机染料的拉曼光谱基本吻合。
小结
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 号来源与分子的振动和转动。拉曼光谱的分析方向有：
定性分析：不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以通过光谱进行定性分 析。
结构分析：对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。
定量分析：根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析 能力。
z 鉴别毒品：使用拉曼光谱法对毒品和某些白色粉末进行了分析，谱图如 下：
常见毒品均有相当丰富的拉曼特征位移峰，且每个峰的信噪比较高，表明用 拉曼光谱法对毒品进行成分分析方法可行，得到的谱图质量较高。由于激光拉曼 光谱具有微区分析功能，即使毒品和其它白色粉末状物质混和在一起，也可以通 过显微分析技术对其进行识别，得到毒品和其它白色粉末分别的拉曼光谱图。
植保博士溶液(农药)
不同种类的水果表面滴加植保博士后得到的拉曼谱（见左图）。很明显,除了 水果原本的拉曼峰外,植保博士的特征峰为 993ｃｍ-1、1348ｃｍ-1、1591ｃｍ-1 都出现了由于实验中模拟农药喷洒的方式比实际喷洒时的农药量少得多,尽管如 此,农药的残留仍然清晰地显示出来,这表明这一方法是灵敏而适用的。定量地分 析农药残留可以从农药特征谱线和水果特征谱线的相对强度比获得。
设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如图所示。当受到入射光照射时， 激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态 （Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍 回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率 相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。 在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入 射光频率的谱线称为反斯托克斯线。
参考文献
(1)张蓓莉.系统宝石学[M].北京:地质出版社,1997 (2)刘耀，物证鉴定科学[M]. 北京：群众出版社，1998 181-198
正文
拉曼光谱原理简介 z 含义
光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发 光波长相同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称 为喇曼效应。
z 原理
喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从喇曼光谱中可以得到 分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。用虚的上能级概念可以说 明了喇曼效应:
第一类，只有一种振动方式，4 个氯原子沿与C原子的联线方向作伸缩振动， 记作 ，表示非简并振动。
第二类，有两种振动方式，相邻两对CI原子在与C原子联线方向上，或在该 联线垂直方向上同时作反向运动，记作 ，表示二重简并振动。
第三类，有三种振动方式，4 个CI与C原子作反向运动，记作 ，表示三重 简并振动。
第四类，有三种振动方式，相邻的一对CI原子作伸张运动，另一对作压缩运 动，记作 ，表示另一种三重简并振动。
上面所说的“简并”，是指在同一类振动中，虽然包含不同的振动方式但具 有相同的能量，它们在拉曼光谱中对应同一条谱线。因此， 分子振动拉曼 光谱应有 4 个基本谱线，根据实验中测得各谱线的相对强度依次为
。苯的谱线也见附图,分析类似,这里不再赘述。 拉曼光谱的应用
通过对拉曼光谱的分析可以知道物质的振动转动能级情况,从而可以鉴别物 质,分析物质的性质.下面举几个例子：
z 天然鸡血石和仿造鸡血石的拉曼光谱有本质的区别,前者主要是地开石 和辰砂的拉曼光谱,后者主要是有机物的拉曼光谱,利用拉曼光谱可以区 别二者。
作者：吴永晟
从拉曼光谱实验谈拉曼光谱的应用
摘要
通过对大学物理实验(拉曼光谱的研究)进行描述,从而寻找其在某些领域的 应用。
关键词
拉曼光谱
引言
1928 年被印度物理学家喇曼等发现的拉曼光谱在很多领域都有重要的应 用。我通过做拉曼光谱实验,对拉曼光谱的原理有了深刻的认识,之后参考了很多 文献,发现了它的巨大应用价值。
简单解释：按照波尔兹曼分布律，处于激发态 的分子数 与处于正常态
分子数 之比是： 的简并度，对于振动态
，而
其中 g 为该状态下
所以，
。
可以解释：温度升高，反斯托克斯线的强度迅速增大，斯托克斯线强度变化
不大转动能级中,
所以,
由于较低和较高
的转动态都有显著的布居，所以小拉曼位移两组谱线(反斯托克斯线,斯托克斯线)
附加频率值与振动能级有关的称作大拉曼位移，与同一振动能级内的转动能 级有关的称作小拉曼位移：
大拉曼位移：
( 为振动能级带频率)
小拉曼位移：
(其中 B 为转动常数)
简单推导小拉曼位移：利用转动常数
转动能级 能级的选择定则为：
所以有
即
z 谱线特征 拉曼散射光谱具有以下明显的特征：
a.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 与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关；
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, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一 个振动量子的能量。
c. 一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于 Boltzmann 分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。
强度差不多。
实验中光谱的分析
实验做出的谱图(见附图,以波长为单位) 标准的谱图(如下,以波数为单位)
通过 的结构分析解释光谱： 分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个
顶点。当四面体绕其自身的一轴旋转一定角度，或记性反演(r—-r)、或旋转加 反演之后，分子的几何构形不变的操作称为对称操作，其旋转轴成为对称轴。CCI4 有 13 个对称轴，有案可查 4 个对称操作。我们知道，N个原子构成的分子有碍（3N —6）个内部振动自由度。因此 分子可以有 9 个(3×5—6)自由度，或称为 9 个独立的简正振动。根据分子的对称性，这 9 种简正振动可归纳成下列四类：