《材料研究方法》第18讲激光拉曼光谱.pptx

激光拉曼光谱分析LaserRamanSpectroscopy

主要内容21概述2激光拉曼谱的基本原理3红外与拉曼比较4拉曼光谱仪5拉曼光谱应用及图谱

一、概述31800年，英国科学家W.Herschel在测色温时(即波长越长，所具有的温度越高)，发现了红外光，Infra－Red。由于存在红外非活性的问题，因此人们又继续研究探索，在1928年的时候，由印度科学家V.C.Raman发现了拉曼效应，并获得1930年度Nobel物理奖。

4一、概述吴大猷先生1935年在北大完成了第一篇关于拉曼散射的论文“四氟乙烯拉曼线的退极化”（《中国化学学会会志》第四卷），也是该领域国内的第一篇论文。1939年他在西南联大完成了专著《多原子分子的振动谱和结构》，是自拉曼获诺内尔奖以来，第一部全面总结分子拉曼光谱研究成果的经典著作。

5一、概述黄昆先生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著作理论。1988年建立起超晶格拉曼散射理论。2002年获国家科技奖。

6二、激光拉曼谱的基本原理1）瑞利散射：Rayleigh散射一个频率为?的单色光（一般为可见光），当不被物体吸收时，大部分将保持原来的方向穿过物体，但大约有1/105——1/103的光被散射到各个方向。并且在与入射光垂直的方向，可以看到这种散射光。1871年科学家Rayleigh发现了这种现象，因此称之为瑞利散射。该种散射为弹性碰撞，光的频率不变，只改变光子运动方向。散射光的强度与散射方向有关，且与入射频率的四次方成正比。波长较短的光，其瑞利散射强一些。这也是天空呈现蓝色的原因(日光中蓝光的瑞利散射是红光强度的10倍)。

7二、激光拉曼谱的基本原理2）拉曼散射当单色光照射在样品上，发生瑞利散射的同时，总发现有1％左右的散射光频率与入射光不同。把频率与入射光频率不等的这部分效应命名为拉曼效应。拉曼效应为光子与样品中分子的非弹性碰撞；方向改变且有能量交换。

8二、激光拉曼谱的基本原理E1为分子的基态；E2为除基态以外的某一能级（如某一振动态）E3和E3’为该分子的受激虚态之能级。若入射光的波数为?0，则拉曼散射的?0???i。又称之为拉曼位移。

9二、激光拉曼谱的基本原理（1）处于基态E1的分子受入射光子h?0的激发，跃迁到受激虚态E3，而后又回到基态E1。或者E2的分子激发到E3’，很快又回到E2，这两种情况下，能量都没有改变，这种弹性碰撞称之为瑞利散射，散射光的波数等于入射光的波数。

10二、激光拉曼谱的基本原理（2）处于基态E1的分子受激发，跃迁到受激虚态E3，而后又回到基态E2（而非E1）。分子的能量损失了E2－E1＝h?‘。这种非弹性碰撞称之为斯托克斯散射（Stokes）。散射波的波数等于?0-?’

11二、激光拉曼谱的基本原理（3）处于E2的分子受激发，跃迁到受激虚态E3’，而后又回到E1。分子的能量增加了E2－E1＝h?‘。这种非弹性碰撞称之为反斯托克斯散射（Anti－Stokes）。散射波的波数等于?0＋?’

12二、激光拉曼谱的基本原理图中的E2为除基态以外的某一能级，可以是分子的任何一个转动能级或者振动能级，因此分子产生的拉曼散射可以有多个不同的波数。

13二、激光拉曼谱的基本原理ANTI-STOKES?0-??RayleighSTOKES?0+???0Raman散射的两种跃迁能量差：?E=h(?0-??)产生stokes线；强；基态分子多；E=h(?0+??)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差??；

14二、激光拉曼谱的基本原理3）Raman位移对不同物质：??不同；对同一物质：??与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距?=?E，?分子极化率；

三、红外与拉曼比较151)红外活性和拉曼活性振动①红外活性振动ⅰ永久偶极矩；极性基团；ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子；红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.②拉曼活性振动诱导偶极矩?=?E非极性基团，对称分子；拉曼活性振动—伴随有极化率变化的振动。对称分子：对称振动→拉曼活性。不对称振动→红外活性Eeer

16三、红外与拉曼比较?1?2?3?4拉曼活性红外活性红外活性2)选律红外光谱—源于偶极矩变化拉曼光谱—源于极化率变化对称中心分子