1、激光喇曼光谱（激光喇曼光谱（Laser Raman Spectroscopy）实验目的：实验目的：1、了解喇曼效应的特征、量子理论以及了解喇曼效应的特征、量子理论以及产生条件；产生条件；2、了解四氯化碳分子的简正振动；、了解四氯化碳分子的简正振动；3、学会根据四氯化碳分子喇曼光谱的峰、学会根据四氯化碳分子喇曼光谱的峰位推断出该峰所对应的振动模式。位推断出该峰所对应的振动模式。Sir Chandrasekhra Venkata Raman Sir Chandrasekhara Venkata Raman(1888-1970)Nobel Prize of physics in 1930 for t
2、he discovery of the Raman effect.C.V.Raman 于于1928年发现了以他名字命年发现了以他名字命名的名的 非弹性散射非弹性散射 现象，现象，因这一重大发现因这一重大发现 他获得了他获得了1930年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。C.V.Raman是印度首位诺贝尔奖获得者。是印度首位诺贝尔奖获得者。喇曼效应喇曼效应 Raman effect喇曼效应喇曼效应 Raman effect瑞利散射瑞利散射 Rayleigh scattering由弹性散射引起的散射光由弹性散射引起的散射光散射光具有和入射光相同的频率，强度为入射光强度的散射光具有和入射光相同的频
3、率，强度为入射光强度的10-3 喇曼散射喇曼散射 Raman Scattering非弹性散射的一种非弹性散射的一种若入射光的频率为若入射光的频率为 0，有非弹性散射引起的散射光，其频率有非弹性散射引起的散射光，其频率介于介于 0-和和 0+之间，对称地分布在瑞利散射光的两侧，之间，对称地分布在瑞利散射光的两侧，强度为瑞利散射强度的强度为瑞利散射强度的10-3 10-4，为入射光强度的，为入射光强度的10-7。喇曼效应喇曼效应 Raman effect拉曼光谱线拉曼光谱线斯托克斯线（斯托克斯线（stokes line）反斯托克斯线（反斯托克斯线（anti-stokes line）低于入射光频率的
4、散射线：低于入射光频率的散射线：0-高于入射光频率的散射线：高于入射光频率的散射线：0+斯托克斯线频率，反斯托克斯线频率与入射光频率之差斯托克斯线频率，反斯托克斯线频率与入射光频率之差=(0+)-0=h(0+)-h 0/h=(E1-E0)/h 喇曼频移与入射光的频率无关而与分子振动的能级有关喇曼频移与入射光的频率无关而与分子振动的能级有关喇曼频移（喇曼频移（Raman displacement）喇曼效应的量子理论喇曼效应的量子理论光子与分子的相互作用光子与分子的相互作用光子和分子间有能量交换光子和分子间有能量交换放出或吸收的能量只能是分子两个能级之间的能量差放出或吸收的能量只能是分子两个能级之
5、间的能量差h 0h 0h 0h(0+)E0E1 hh(0-)h 0反斯托克斯线反斯托克斯线斯托克斯线斯托克斯线喇曼效应的量子理论喇曼效应的量子理论喇曼光谱线喇曼光谱线由于分子大都处在振动能级由于分子大都处在振动能级E0，斯托克斯线的强度斯托克斯线的强度远大于反斯托克斯线的强度远大于反斯托克斯线的强度CCl4的喇曼光谱之斯托克斯线（红）和反斯托克斯线（蓝）产生喇曼效应的条件产生喇曼效应的条件分子在振动或转动过程中，极化率发生变化是产生喇曼分子在振动或转动过程中，极化率发生变化是产生喇曼效应的必要条件。效应的必要条件。n诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化
6、率n分子中两原子距离最大时，分子中两原子距离最大时，也最大也最大n拉曼散射强度与极化率成正比例关系拉曼散射强度与极化率成正比例关系极化率（polarizability）单位电场强度所感应的电偶极矩 E为极化率喇曼光谱与红外光谱的区别喇曼光谱与红外光谱的区别分子在振动过程中，分子的极化率发生变化，属于分子在振动过程中，分子的极化率发生变化，属于喇曼活性喇曼活性分子的全对称振动和非极性基团的振动，使分子的分子的全对称振动和非极性基团的振动，使分子的极化率发生变化极化率发生变化适用于研究同原子的非极性键：适用于研究同原子的非极性键：C=CC=C,N=N,SS.分子在振动过程中，分子的偶极矩发生变化，
7、属于分子在振动过程中，分子的偶极矩发生变化，属于红外活性红外活性分子的非对称振动和极性基团的振动，使分子的分子的非对称振动和极性基团的振动，使分子的偶极矩发生变化偶极矩发生变化适用于研究不同原子的极性键振动：适用于研究不同原子的极性键振动：C=O,OH,CX.CCl4分子的简正模式分子的简正模式CCl4分子的简正模：分子的简正模：代表代表C，代表代表ClCl实验装置实验装置 RBD型激光喇曼光谱仪总体结构图型激光喇曼光谱仪总体结构图实验装置实验装置5-1 激光器激光器 5-2直角转向镜及调节架直角转向镜及调节架 5-3 斜入射转向镜及调节架斜入射转向镜及调节架 5-4 激光电源激光电源半导体激
8、光器半导体激光器：激光波长：激光波长：532nm，绿光绿光功率：功率：40 mw高消光比，线偏振输出，消光比（垂直偏振）高消光比，线偏振输出，消光比（垂直偏振）100:1功率高稳定性：功率高稳定性：2%光束直径：光束直径：1.0mm1、光源：、光源：实验装置实验装置（）（）样品信息收集光路：样品信息收集光路：2-1.散射光凹面反射镜及其调节架；散射光凹面反射镜及其调节架；2-2.集光镜及其调节架；集光镜及其调节架；2-3.检偏器；检偏器；2-4.凹陷滤波片及调节架（选购件）；凹陷滤波片及调节架（选购件）；（）（）样品台部分样品台部分:3-1.五维精密调节样品平台；五维精密调节样品平台；3-2.
9、液体管样品架；液体管样品架；（）箱体部分（）箱体部分4-1.基础板；基础板；（1）样品照明入射光样品照明入射光路：路：1-1.偏振旋转器；偏振旋转器；1-2.聚焦透镜及其调节聚焦透镜及其调节架；架；1-3.斜入射聚焦透镜及斜入射聚焦透镜及其调节架；其调节架；1-4.入射光凹面反射镜入射光凹面反射镜及其调节架；及其调节架；2、外光路系统、外光路系统实验装置实验装置3、色散系统色散系统光源或照明系统发出的光束均匀地照射在入射狭缝上，入射狭缝位于光源或照明系统发出的光束均匀地照射在入射狭缝上，入射狭缝位于的离轴抛物镜焦面上。光经过离轴抛物镜平行照射到光栅上，经过光的离轴抛物镜焦面上。光经过离轴抛物镜
10、平行照射到光栅上，经过光栅衍射到第二离轴抛物镜，再经过反光镜会聚到出射狭缝上，最后到栅衍射到第二离轴抛物镜，再经过反光镜会聚到出射狭缝上，最后到光电接收元件（光电倍增管）上。由于光栅的分光作用，从出射狭缝光电接收元件（光电倍增管）上。由于光栅的分光作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝出来时光由短波到出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝出来时光由短波到长波依次出现。长波依次出现。实验装置实验装置四、信号采集系统四、信号采集系统CR114/131型光电倍增管型光电倍增管 线性脉冲放大幅度分析器线性脉冲放大幅度分析器 高压稳压电源部分高压稳压电源部分 五、接口电路五、
11、接口电路 接口电路是激光喇曼光谱仪自动控制的基础单元，是接口电路是激光喇曼光谱仪自动控制的基础单元，是主计算机（主计算机（PC机）与激光喇曼光谱仪的联机接口。通过机）与激光喇曼光谱仪的联机接口。通过接口电路实现控制单色仪及采集数据的功能。接口电路实现控制单色仪及采集数据的功能。接口电路的主要的功能如下：接口电路的主要的功能如下：1.一个步进电机的驱动电源，控制单色仪中光栅的转动；一个步进电机的驱动电源，控制单色仪中光栅的转动；2.通过通过1个光电开关，确定单色仪波长个光电开关，确定单色仪波长“定位定位”，即回零位置；，即回零位置；3.采集、暂存、传送衍射强度数据；采集、暂存、传送衍射强度数据；
12、4.与主计算机的通讯，接收主机命令；与主计算机的通讯，接收主机命令；显示当前波长或散射强显示当前波长或散射强度度 实验内容实验内容测量测量CCl4 分子的振动喇曼散射谱分子的振动喇曼散射谱要求：完整记录包括瑞利线、斯托克斯线和反斯托克斯线的振要求：完整记录包括瑞利线、斯托克斯线和反斯托克斯线的振动喇曼谱，体验喇曼光谱的基本实验技术和认识振动动喇曼谱，体验喇曼光谱的基本实验技术和认识振动喇喇曼谱的曼谱的主要特征及其与分子结构的联系主要特征及其与分子结构的联系。数据记录与处理数据记录与处理1、打印打印CCl4分子的喇曼光谱图并在图上标出分子的喇曼光谱图并在图上标出stokes线和线和antisto
13、kes线；线；2、根据、根据CCl4分子喇曼峰的位置定出其相应的简正模式。分子喇曼峰的位置定出其相应的简正模式。峰峰波长波长(nm)频率频率(Hz)喇曼频移喇曼频移(Hz)波数差波数差(cm-1)相应振动模式相应振动模式1 2 3 4 5 6 7 8 思考题思考题1.1.喇喇曼光谱是一种曼光谱是一种_光谱光谱；2.2.激光激光喇喇曼光谱分析曼光谱分析，是利用是利用_照射试样物质时发生照射试样物质时发生_现象而产生现象而产生与入射光频率不同的与入射光频率不同的_所进行的分析方法所进行的分析方法；3.3.喇喇曼位移曼位移 与与_无关无关，主要取决于主要取决于_ _；4.4.若分子在运动时某一固定方向上若分子在运动时某一固定方向上_发生改变发生改变，则该分子就具有则该分子就具有喇喇曼活性；曼活性；5.5.什么是喇曼散射效应？什么是喇曼散射效应？6.6.喇喇曼光谱中为什么曼光谱中为什么StokesStokes线的强度远大于反线的强度远大于反StokesStokes线线?
