第八章拉曼光谱
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拉曼光谱实验报告一、实验目的1. 了解拉曼光谱的基本原理、主要部件的功能;2. 了解拉曼光谱对所观察与分析样品的要求;3. 了解拉曼光谱所观察材料的微观组织结构和实际应用;4. 初步掌握制样技术和观察记录方法二、实验仪器原理1928年C.V.拉曼实验发现,当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化,这一现象称为拉曼散射,同年稍后在苏联和法国也被观察到。
在透明介质的散射光谱中,频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射;频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱,其中频率较小的成分υ0-υ1又称为斯托克斯线,频率较大的成分υ0+υ1又称为反斯托克斯线。
靠近瑞利散射线两侧的谱线称为小拉曼光谱;远离瑞利线的两侧出现的谱线称为大拉曼光谱。
瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3,拉曼光谱强度大约只有瑞利线的10-3。
小拉曼光谱与分子的转动能级有关,大拉曼光谱与分子振动-转动能级有关。
拉曼光谱的理论解释是,入射光子与分子发生非弹性散射,分子吸收频率为υ0的光子,发射υ0-υ1的光子(即吸收的能量大于释放的能量),同时分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线);分子吸收频率为υ0的光子,发射υ0+υ1的光子(即释放的能量大于吸收的能量),同时分子从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线)。
分子能级的跃迁仅涉及转动能级,发射的是小拉曼光谱;涉及到振动-转动能级,发射的是大拉曼光谱。
与分子红外光谱不同,极性分子和非极性分子都能产生拉曼光谱。
激光器的问世,提供了优质高强度单色光,有力推动了拉曼散射的研究及其应用。
拉曼光谱的应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域,对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。
拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动,因此从拉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拉曼效应:设散射物分子原来处于基电子态,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。
拉曼光谱【引言】在瑞利和布里渊光散射现象的基础上,斯梅卡尔研究了两个能级系统对光的散射,并预言散射谱中除了入射光频率的谱线外,将在两侧出现新的谱线。
1928年印度物理学家拉曼(C.V.Raman)实验发现了这个效应,即在频率不变的瑞利散射线两侧对称地排列着数条拉曼散射偏振线,它们的频移量与红外振动频率相等而与所用光的频率无关。
几乎与此同时,前苏联的物理学家曼杰斯塔姆和兰茨别尔格也观察到类似的现象。
拉曼由于这项成就,荣获1930年诺贝尔物理奖。
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、其中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。
被广泛用于物质鉴定和分子结构有关的学科领域,为此现已发展了各种激光拉曼技术并已被用于相关的技术之中。
【实验目的】1.掌握拉曼散射的基本原理,初步学会根据拉曼散射光谱来确定分子结构及其简正振动类型。
2.掌握拉曼散射光谱的实验技术。
【实验原理】当受光照射时,介质对光除反射、吸收和透射之外,总有一部分向四周散射。
相对于入射光的频率或波数改变可分为三类散射。
第一类是散射光的频率与入射光的基本相同,频率变化小于3×105Hz,相应的波数变化小于10-5cm-1,通常称它为瑞利(Rayleigh)散射;第二类是频率变化约为3×109Hz,波数变化约为0.1cm-1,称为布里渊(Brillouin)散射,第三类的频率或波数变化比较大,频率变化大于3×1010Hz,波数变化大于1cm-1,这就是拉曼(Raman)散射。
拉曼散射对应于分子的转动、振动能级之间的跃迁范围,它是由印度科学家拉曼(C.V.Raman)于1928年发现的。
从散射光的强度来看,瑞利散射最强,是入射光的10-3左右,拉曼散射最弱,通常小于入射光的10-6,因此当强度、单色性和方向性极好的激光的诞生,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,拉曼散射光谱技术才得以迅速发展。
引言概述:拉曼光谱是一种非侵入性的光谱分析技术,可以用来研究物质的化学成分、结构和分子间相互作用等信息。
通过测量样品与激发光相互作用后反散射光的频移,可以得到样品的拉曼光谱图谱。
拉曼光谱具有快速、灵敏和无需样品处理等优势,因此在化学、材料科学、生物医学和环境科学等领域被广泛应用。
正文内容:一、理论基础1. 拉曼散射原理:介绍拉曼光谱的基本原理,包括应力引起的拉曼散射和分子振动引起的拉曼散射。
2. 基本理论模型:介绍拉曼光谱的基本理论模型,包括简谐振动模型和谐振子模型等。
二、仪器设备1. 激发光源:介绍常用的激发光源,如激光器和光纤激光器等,以及它们的特点和选择。
2. 光谱仪:介绍常用的拉曼光谱仪,包括激光外差光谱仪和光纤光谱仪等,以及它们的原理和优缺点。
3. 采样系统:介绍拉曼光谱的采样系统,包括反射式、透射式和光纤探头等,以及它们的适用范围和操作注意事项。
三、数据处理与分析1. 光谱预处理:介绍光谱预处理的方法,包括光谱平滑、噪声抑制和基线校正等,以提高数据质量和减少干扰。
2. 谱图解析:介绍拉曼光谱谱图的解析方法,包括峰拟合、峰识别和谱图比较等,以确定样品的化学成分和结构信息。
3. 定量分析:介绍拉曼光谱的定量分析方法,包括多元线性回归和主成分分析等,以快速准确地测量样品的含量和浓度。
四、应用领域1. 化学分析:介绍拉曼光谱在化学分析中的应用,包括有机物和无机物的定性和定量分析,以及催化剂和原位反应研究等。
2. 材料科学:介绍拉曼光谱在材料科学中的应用,包括纳米材料、多晶材料和聚合物等的表征和结构分析。
3. 生物医学:介绍拉曼光谱在生物医学中的应用,包括体液中代谢产物和蛋白质的检测,以及癌症和药物代谢研究等。
4. 环境科学:介绍拉曼光谱在环境科学中的应用,包括土壤和水体中有机物和无机物的检测,以及大气污染和环境污染物的监测等。
五、发展前景与挑战1. 发展前景:介绍拉曼光谱在未来的发展前景,包括高灵敏度和高分辨率的光谱仪、纳米尺度的光学探针和超快激光技术等。
第八讲拉曼光谱分析拉曼光谱分析是一种非常常用的分析技术,在化学、物理、生物医学等领域都有广泛的应用。
拉曼光谱是一种由拉曼散射引起的光谱,可以提供样品的分子结构、化学键强度以及晶体结构等信息。
拉曼光谱分析有着许多优点,如非破坏性、非接触性、无需特殊的样品处理等,因此成为一种重要的分析方法。
拉曼效应最早由印度物理学家拉曼在20世纪20年代发现,并在1930年获得诺贝尔物理学奖。
拉曼效应是光的一种散射现象,当光通过物质后,一部分光被散射,并且散射光发生了频率的变化。
这种频率变化是由于散射光与物质发生相互作用导致的,这种相互作用使得光子与分子之间发生能量交换。
拉曼光谱仪的基本原理是在激发光线和散射光线之间存在着特定的频率差,该频率差与样品的分子结构和振动模式有关,通过测量这个频率差可以获得样品的分子信息。
拉曼光谱图通常以散射光的强度作为纵轴,以拉曼位移(拉曼频移与激发光频率之差)作为横轴,可以得到一个关于样品散射光的强度分布图谱。
根据拉曼光谱的特点,可以对样品进行定性和定量分析。
对于定性分析,主要通过对拉曼光谱图的解析来确认样品的组成和化学结构。
每种物质的分子结构和振动模式是唯一的,因此通过对比样品的拉曼光谱与已知物质的光谱数据库,可以确定样品的物质组成。
而对于定量分析,可以通过对拉曼峰的积分峰面积或峰高进行计算,根据标准曲线或定量关系来确定样品中其中一种成分的含量。
拉曼光谱分析具有许多优点。
首先,它是一种非破坏性分析方法,不需要对样品进行特殊的处理或制备,而且不需要接触样品,避免了对样品产生影响。
其次,拉曼光谱可以在液体、固体和气体等各种状态下进行分析,适用范围非常广泛。
此外,拉曼光谱仪器相对较简单,易于操作和维护,可以进行实时监测和快速分析。
拉曼光谱分析在许多领域有广泛的应用。
在化学领域,可以用于物质的鉴定、检测和定量分析。
例如,可以通过拉曼光谱来分析化学反应中的中间体和产物,以及药物的成分和结构等。