激光拉曼实验报告

激光拉曼及荧光光谱实验

一、实验目的

1、 了解激光拉曼的基本原理和基本知识以及用激光拉曼的方法鉴别物质成分和分子结构的原理；

2、 掌握LRS – II 激光拉曼/荧光光谱仪的系统结构和操作方法；

3、 研究四氯化碳CCL

4、苯C 6H 6等物质典型的振动—转动光谱谱线特征。

二、实验原理

2.1 基本原理

分子有振动。原子分双子的振动按经典力学的观点可以看成是简谐振子，其能量为

A 是振幅，k 是力常数。按照量子力学，简谐振子的能量是量子化的，

t=0，1，2，3，···，是振动量子数，f 是振子的固有振动频率。如果在同一电子态中，有振动能级的跃迁，那么产生的光子能量

hf t t E E h )('12-=-=ν 波数为

CO 在红外部分有4.67微米、2.35微米、1.58微米等光谱带，其倒数之比近似为1：

2：3。当Δt =1时，测得的ν

~反映了分子键的强弱。 分子有转动。双原子分子的转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的。按照经典力学，转动的动能是

式中P 是角动量，Ｉ是转动惯量， 222211r m r m I += 可以证明

I

P I E 2212

2=

=ω2

2

2

121r r m m m m I μ=+=

2222

12121

kA kx mv E =+=

2

12

1m m m m m +=

hf

t E )2

1(+=m

k f π21=

,3,2,)(1

~12ωωωωλ

ν

=∆=-'=-=

=t c

f

t t hc E E

上式中ｒ１，ｒ２和ｒ分别代表两原子到转轴的距离及两原子之间的距离，μ称为约化质量。按照量子力学，角动量应等于

代入上式得

此式可以从量子力学直接推得，Ｊ称为转动量子数。当Ｊ＝０，１，２，３，···等值时，相应的Ｊ（Ｊ＋１）＝０，２，６，１２，···，所以能级的间隔是I h 22π的２，４，６，８，···倍。

实验和理论都证明纯转动能级的跃迁只能在邻近能级之间，就是ΔＪ＝±１。所得

光谱的波长应该有下式表达的值：

谱线波数（ν

~）的间隔是相等的。ＨCL 分子远红外吸收谱中，曾观察到很多条吸收线，这些线的波数间隔应该是２Ｂ，实验测得：Ｂ＝１０．３４厘米

－１

，所以由此求得

转动惯量Ｉ，进而求得ＨCL 分子中原子之间的核间距这一重要数据。

多原子分子的转动可以近似地看作刚体的转动，这涉及到多个转轴的不同的转动惯量。其谱线结构较为复杂，只有直线型的分子和对称高的分子转动曾研究出一些结果。在分析化学领域中提供了一些分析样品的标准特征谱线可供实验参照。

光通过透明的物体时，有一部分被散射。如果入射光具有线状谱，散射光的光谱中

除有入射光的谱线外，还另有一些较弱的谱线，这些谱线的波数ν

'~等于入射光某一波数0~ν加或减一个数值，即10~~~ννν±='。新出现谱线的波数与入射光的波数之差发现与光源无关，只决定于散射物。如果换一个光源，0~ν不同了，但如果散射物不变换，那么0~~νν-'还是等于原来的1~ν，散射光的波数变动反映了散射物的性质。由于散射光的波数等于入射光的波数与另一数值1

~ν组合的数值，所以这样的散射称作组合散射。 可以在紫外或可见区观测分子的振动和转动能级，通过选择波长在可见光波段的激

,2,1,0,2)

1(=+=J h

J J P π

)

1(82

2+=

J J I

h E πIc

h B J BJ

J J J J Ic h hc E E 2''''2'8,,3,2,12)]1()1([8~1ππνλ=

==+-+=-==

光光源的方法，使拉曼光谱分布在可见光区域，这样便于视觉的观察，较之红外或远红外光谱技术更为方便。组合散射的方法不论在分子结构的研究上或工业的应用上都很重要。因为每一种分子都有其特有的分子光谱，所以，通过分子光谱的观察可以辨认化合物，作定性和定量分析，目前，已广泛应用于物理、化学、生物及生命科学等研究领域，尤其是在石油工业上应用特别多。

拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变换，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例关系，可以利用喇曼谱线来进行定量分析，在与激光入射方向的垂直方向上，能收集到的喇曼散射的光通量正比于：

ΦL 为入射光照射到样品上的光通量 A 为拉曼散射系数，约等于10

－28

－10

－29

MOL/球面度

N 为单位体积内的分子数 L 为样品的有效体积

K 为考虑到折射率和样品内场效应等因素影响的系数

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研究，于是建立了拉曼光谱法。

绝大多数拉曼光谱图都是以相对于瑞利谱线的能量位移来表示的，由于斯托克斯峰比较强（原因是正常状态下，处于低能级的分子数比处于高能级的分子数多），故可以比较小的位移为基础来估计Δб（以cm -1

为单位），即Δб＝бy -б

三．实验内容

1. 按照连接图连接好电缆,放入待测样品CCL,打开激光器；

2. 按照调节说明，调节外光路,打开仪器的电源,启动应用程序；

3. 通过阈值窗口选择适当的阈值,在参数设置区设置阈值和积分时间及其他参数；

4. 扫描，根据情况调节狭缝至最佳效果,数据处理及存储打印；

5. 关闭应用程序,关闭仪器电源,关闭激光器电源。

四．数据处理

LRS －II/III 型激光拉曼/荧光光谱仪在实验时，是以测量四氯化碳的拉曼光谱为主要内容。方法是：将分析纯液态四氯化碳倒入液体池内，放入外光路的液体池架上，调整好外光路注意将散射光成像对准单色仪入射狭缝上，并将狭缝开0.1mm 左右，并通过

K

L N A L R ⋅⋅⋅⋅Φ⋅∝Φπ4