第五章拉曼光谱
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5.1 概述
3 瑞利散射与拉曼散射
光线通过试样,透射仍为主体 波长远小于粒径,小部分散射 瑞散利射散:射仅λ改不变变方向,拉波长曼不散变射。 λ变
弹性碰撞无能量交换
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垂直方向观测,原波长两侧还有散射光 非弹性碰撞,有能量交换,波长有变化
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方法原理
拉
λ增
λ减
曼 散
大
仅测出 Stocks 线
314
219
2000
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0
0
100
200
300
400
500
600
18
Δν/cm -1
1.基本原理
Anti-Stocks线
Stocks线
e
e
e
e
温度升高 概率大!
3振 电
2动 子
1 0
能 级
基 态
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e e
Rayleigh 散射
Raman 散射19
1. 基本原理
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5.1 概述
2. 两个著名的散射实验 利用散射现象研究物质的相互作用以及内部 结构&运动,适用于微观&宏观
? 1911,卢瑟福(E.Rutherford)实验:揭示 原子由一个带正电荷的核构成
? 1920,康普顿(A.H.Compton)实验:证明 光具有粒子性 分别是a粒子与光子与带电粒子进行碰撞的 散射实验
第五章 激光拉曼光谱
5.1 概述 5.2 理论基础 5.3 实验介绍 5.4 应用 5.5 与红外光谱的关系
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思考题
? 天空为什么是蓝色的? ? 海水为什么是蓝色的?
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参考书
? 国内主要的拉曼领域的专家: 程光煦(南大) -《拉曼布里渊散射》 张树霖(北大) -《拉曼光谱与低维纳米半导体》 吴国祯(清华) -《拉曼谱学 -峰强中的信息》 张光寅(南开) -《晶格振动光谱学》
IS / I AS ? exp( ?? / kBT )
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5.2 理论基础
3.拉曼光谱的物理原理: 入射光的电磁场,影响到物质内部的正负 电荷的分布,形成感生偶极距, 极化率 张量α(可能各向异性)。由于只有电子 才能跟得上光的振动,所以,物质的光 散射只是电子的贡献。设 α的变化比较小, 将α安简正坐标展开:
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1 基本原理
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
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Δν/cm-1
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5.2 理论基础
? 1)在示意图中斯托克斯线和反斯托克斯线 对称地分布于瑞利线的两侧,这是由于在 上述两种情况下分别相应于得到或失去了 一个晶格振动量子(声子)的能量。
-声子、磁子、激子、自旋子或极化激元
? 光谱类型:多声子拉曼谱,共振拉曼谱, 时间分辨拉曼谱,空间分辨拉曼谱,表面 增强拉曼谱等
? 非常规条件:高温,高压,外电场或强磁 场等极端条件
? 拉曼谱成像学
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5.2 理论基础
1 基本原理
? 拉曼散射:当光照射到物质上时会发生非 弹性散射,散射光中除有与激发光波长相 同的弹性成分(瑞利散射)外,还有比激 发光波长长的和短的成分,后一现象统称 为拉曼效应。这种非弹性散射称为拉曼散 射。由于拉曼散射非常弱,所以一直到 1928年才被印度物理学家拉曼等所发现。
? 拉曼位移(Raman shift)
Δν=|ν0 – νs |, 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
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5.2 理论基础
2. 拉曼光谱的特征 1)频率特征
改变入射光的频率,散射光的频率总是不变 斯托克斯和反斯托克斯的绝对值相等
2)强度特征
拉曼散射的强度极弱。一般为入射光的10-6-10-12 斯托克斯强度IS比反斯托克斯强度IAS大许多,两者的比值 由下式表达
? 1960年激光器的出现,标志这拉曼光谱的复兴
? 朱棣文(Steven Chu) 等通过利用受激或非共振拉 曼跃迁方式冷却自由原子或中性原子,使样品的 温度降到 37μk,在人类历史上第一次做到了对原子 的操控,因此获得 1997年诺贝尔物理学奖
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5.1 概 述
2.传统的拉曼光谱学的发展 ? 研究对象:化学分子,固体的“元激发”
? 物理所:刘玉龙研究员 昆明理工:张鹏翔教授 大连化物所:李灿院士 ……等等
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5.1 概述
一 散射的相关概念
1.散射:当入射粒子以一个确定方向撞击靶 粒子时,入射粒子和靶粒子相互作用,使 得入射粒子偏离原入射方向,甚至能量都 发生改变,这就是散射现象
靶
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入射光束
散射光束
(C. V. Raman )1928 C.V.Raman, K.S.Krishnan. A new type of second radiation. Nature , 1928 ,121,501-502 ? Nobel Prize in Physics 1930
? 几个重要的时间: 1921,1923,1927冬,1928-1,1928-2-7,1928-2-16.
? 2) 反斯托克斯线的强度远小于斯托克斯线 的强度,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。
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5.2 理论基础
散射过程中的能量关系
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12000
10000
8000
度
强 对
6000
相
4000
CCl4的拉曼光谱
便携式仪器实测图 459
小
射
λ变
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样
透过光 λ不变
品
池
瑞 利
散
射
λ不
变
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5.1 概述
4.光散射的能量 注:在光散射研究中,能量通常以cm-1为单
位
能量改变范围 散射分类名称 散射性质
<10-5cm-1 10-5~1cm-1 >1cm-1
瑞利 布里渊 拉曼
弹性 非弹性 非弹性
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5.1 概述
二. 拉曼散射现象的发现
1928-3-8
1928-3Hale Waihona Puke Baidu31
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5.1概述
三. 拉曼光谱的发展
1 关键事件
? 吴大猷,1934,在北京大学开展了国内最早的拉曼 光谱研究, 1936年发表第一篇国内完成的有关拉 曼的文章, 1939年出版《Vibrational Spectra and Structure of Polyatomic Molecules 》