《Raman散射》PPT课件
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• 1940~1960年，拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太弱（约为 入射光强的10-6），并要求被测样品的体积必须足够大、无色、无尘埃、无 荧光等等。所以到40年代中期，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应 用一度衰落；
• 1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、 方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对 被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱 得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。
Accumulation time: ca. 1 s
二、拉曼散射的理论
1.拉曼散射的经典理论
依据：以物质分子（散射体）当作为电介质，光波当作电磁场，当物 质分子受电场强度为E的电磁场作用时，会产生感应电偶极
矩P
P=P(1)+P(2)+P(3)+… （P(11)）=α·E （2） P(2)=1/2β·E·E （3） P(3)=1/6γ·E·E·E （4） α是分子的极化率，数量单位在10-40cv-1m2，是二阶张量， β是分子的超极化率，数量单位在10-50cv-2m3，是三阶张量， γ是分子的二级超极化率，数量单位在10-61cv-3m4，是四阶张量。
不考虑超极化率和二级超极化率的影响：
将（1）式改为
（5）
P=α·E
假设入射光为频率ν0的单色光
E E0 cos 20t0
（6）
p E0 cos 20t0
（7）
如果将产生感应电偶极矩的分子视为各向同性，即α作为常数，感应电 偶极矩将发射频率为ν0的电磁辐射，它的频率和入射频率相同，这就是瑞利光 散射。
Isotopic (35,37Cl) splitting of n1vibration
Spectrum taken by Raman in 1929; Resolution ca. 10 cm-1 Slaimtpelre Volume: ca. 1
Exposure time: ca. 40 hours Spectrum taken with a modern Raman set-up; Resolution ca. 0.5 cm-1 Sample Volume: ca. 1 ml
但实际上分子是非各向同性的，极化率α是一个张量，那么所加电场在X、 Y、Z轴方向上产生的感应电偶极矩可以表示为：
Raman散射与 分子振动光谱
刘雪芹 物理科学与技术学院
牛顿 －对可见光谱首次科学研究
“Spectre”（幽灵）
“Spectrum”
光散射现象
散射现象 存在于任 何分布的 不均匀性 体系。
反射光
散射
入射光
物质
透射
光散射现象
为什么晴朗的天空呈现蓝色？
朝霞和晚霞呢？
如何解释蓝天和彩霞
对太阳光的瑞利散射， 瑞利散射光的强度与波 长有关，波长越短越强。
与入射光波长无关
适用于分子结构分析
1923年，德国的Smekal理论上预言了光的非弹性 散射，同期，印度物理学家Raman发现苯的散射 光谱是不连续的；
1926年，Raman在论文中并没有肯定这种散射是非 弹性的，以后的许多次实验最终证明了这种散射的 非弹性，他将这种效应称为“一种新辐射”；
C.V Raman，印度物理学家
wk.baidu.com
1930年，42岁的Raman获得了诺贝尔物理学奖，这是亚洲人获得的第一个诺贝尔 科学奖；
拉曼散射效应的进展：
• 拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本 人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
• 1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为 可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
同年 Pringsheim（普林斯海姆） 建议称为“拉曼效应”
1930年诺贝尔物理学奖
1962年激光作拉曼光谱的光源
CCD-Camera
PM
w0
wStokes
FT-Raman spectrometer
Raman Spectrum of CCl4
435,8 nm (Hg-line) anti-Stokes Stokes
黄昆先生
1954年在英国出版与波恩合著的名著 《晶格动力学理论》，成为声子物理和拉 曼散射的经典理论著作。
1988建立起超晶格拉曼散射理论
2002年获国家科技奖。
印度物理学家 Raman
1928年发现非弹性散射
《Nature》的三封电报
1928年2月16日 1928年3月8日 1928年3月22日
§1 拉曼光谱基本原理
一、拉曼效应
1. 弹性散射：在散射过程中没有发生能量变化的散射。
2. 非弹性散射：在散射过程中发生能量变化的散射。 3. 拉曼散射：对称地分布在瑞利散射光的两侧但其强度大大
弱于瑞利散射（约为10-6—10-9）的散射 ，低于入射光频 率
的散射线称为斯托克斯线，高于入射光频率的散射线称为
1928年，Raman和Krishnan首先在液体苯中观察到
了这种散射效应。此后不久，俄国物理学家 Lardsberg和Mandelstam在石英中也发现了同样的光 散射现象，他们称之为“联合散射光谱”，同时，
Cabanues和Rocard在巴黎也证实了Raman的观察结果。Pringsheim撰文总结并指出 Raman所发现的是一种全新的现象，并建议称之为Raman效应，即在1928年，有关 Raman效应的论文就发表了58篇，第二年多达175篇，这在当时是数量惊人的；
反4. 拉曼效应的历史渊源
斯托克斯线。
λ
拉
曼
λ
增 大
减 小
散
射
λ
变
样
透过光λ不变
品
池
瑞
利
散
射
λ
不 变
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
拉曼位移（Raman shift）
Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。 Δv取决于分子振动能级的改变， 所以他是特征的。
d3
I1/4
射
d1
d2
瑞利散
Raman解释了水分 子对光线的散射 使海水显出蓝色。 这与大气分子散 射阳光而使天空 呈现蓝色的机理 完全一样。
400nm
地球
500nm 600nm 700nm
Raman Spectrum
基本原理 Raman与红外光谱的关系 仪器 应用 发展 分子振动、对称与群论
• 1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、 方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对 被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱 得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。
Accumulation time: ca. 1 s
二、拉曼散射的理论
1.拉曼散射的经典理论
依据：以物质分子（散射体）当作为电介质，光波当作电磁场，当物 质分子受电场强度为E的电磁场作用时，会产生感应电偶极
矩P
P=P(1)+P(2)+P(3)+… （P(11)）=α·E （2） P(2)=1/2β·E·E （3） P(3)=1/6γ·E·E·E （4） α是分子的极化率，数量单位在10-40cv-1m2，是二阶张量， β是分子的超极化率，数量单位在10-50cv-2m3，是三阶张量， γ是分子的二级超极化率，数量单位在10-61cv-3m4，是四阶张量。
不考虑超极化率和二级超极化率的影响：
将（1）式改为
（5）
P=α·E
假设入射光为频率ν0的单色光
E E0 cos 20t0
（6）
p E0 cos 20t0
（7）
如果将产生感应电偶极矩的分子视为各向同性，即α作为常数，感应电 偶极矩将发射频率为ν0的电磁辐射，它的频率和入射频率相同，这就是瑞利光 散射。
Isotopic (35,37Cl) splitting of n1vibration
Spectrum taken by Raman in 1929; Resolution ca. 10 cm-1 Slaimtpelre Volume: ca. 1
Exposure time: ca. 40 hours Spectrum taken with a modern Raman set-up; Resolution ca. 0.5 cm-1 Sample Volume: ca. 1 ml
但实际上分子是非各向同性的，极化率α是一个张量，那么所加电场在X、 Y、Z轴方向上产生的感应电偶极矩可以表示为：
Raman散射与 分子振动光谱
刘雪芹 物理科学与技术学院
牛顿 －对可见光谱首次科学研究
“Spectre”（幽灵）
“Spectrum”
光散射现象
散射现象 存在于任 何分布的 不均匀性 体系。
反射光
散射
入射光
物质
透射
光散射现象
为什么晴朗的天空呈现蓝色？
朝霞和晚霞呢？
如何解释蓝天和彩霞
对太阳光的瑞利散射， 瑞利散射光的强度与波 长有关，波长越短越强。
与入射光波长无关
适用于分子结构分析
1923年，德国的Smekal理论上预言了光的非弹性 散射，同期，印度物理学家Raman发现苯的散射 光谱是不连续的；
1926年，Raman在论文中并没有肯定这种散射是非 弹性的，以后的许多次实验最终证明了这种散射的 非弹性，他将这种效应称为“一种新辐射”；
C.V Raman，印度物理学家
wk.baidu.com
1930年，42岁的Raman获得了诺贝尔物理学奖，这是亚洲人获得的第一个诺贝尔 科学奖；
拉曼散射效应的进展：
• 拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本 人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。
• 1928~1940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。这是因为 可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故；
同年 Pringsheim（普林斯海姆） 建议称为“拉曼效应”
1930年诺贝尔物理学奖
1962年激光作拉曼光谱的光源
CCD-Camera
PM
w0
wStokes
FT-Raman spectrometer
Raman Spectrum of CCl4
435,8 nm (Hg-line) anti-Stokes Stokes
黄昆先生
1954年在英国出版与波恩合著的名著 《晶格动力学理论》，成为声子物理和拉 曼散射的经典理论著作。
1988建立起超晶格拉曼散射理论
2002年获国家科技奖。
印度物理学家 Raman
1928年发现非弹性散射
《Nature》的三封电报
1928年2月16日 1928年3月8日 1928年3月22日
§1 拉曼光谱基本原理
一、拉曼效应
1. 弹性散射：在散射过程中没有发生能量变化的散射。
2. 非弹性散射：在散射过程中发生能量变化的散射。 3. 拉曼散射：对称地分布在瑞利散射光的两侧但其强度大大
弱于瑞利散射（约为10-6—10-9）的散射 ，低于入射光频 率
的散射线称为斯托克斯线，高于入射光频率的散射线称为
1928年，Raman和Krishnan首先在液体苯中观察到
了这种散射效应。此后不久，俄国物理学家 Lardsberg和Mandelstam在石英中也发现了同样的光 散射现象，他们称之为“联合散射光谱”，同时，
Cabanues和Rocard在巴黎也证实了Raman的观察结果。Pringsheim撰文总结并指出 Raman所发现的是一种全新的现象，并建议称之为Raman效应，即在1928年，有关 Raman效应的论文就发表了58篇，第二年多达175篇，这在当时是数量惊人的；
反4. 拉曼效应的历史渊源
斯托克斯线。
λ
拉
曼
λ
增 大
减 小
散
射
λ
变
样
透过光λ不变
品
池
瑞
利
散
射
λ
不 变
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
Δν/cm-1
拉曼位移（Raman shift）
Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。 Δv取决于分子振动能级的改变， 所以他是特征的。
d3
I1/4
射
d1
d2
瑞利散
Raman解释了水分 子对光线的散射 使海水显出蓝色。 这与大气分子散 射阳光而使天空 呈现蓝色的机理 完全一样。
400nm
地球
500nm 600nm 700nm
Raman Spectrum
基本原理 Raman与红外光谱的关系 仪器 应用 发展 分子振动、对称与群论