拉曼光谱实验报告.docx
《拉曼光谱实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拉曼光谱实验报告.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
拉曼光谱实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除
拉曼光谱实验报告
篇一：
激光拉曼光谱实验报告
激光拉曼光谱实验报告
摘要：
本实验研究了用半导体激光器泵浦的nd3?
：
YVo4晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源照射液体样品的ccL4分子而得到的拉曼光谱，谱线很好地吻合了理论分析的ccL4分子4种振动模式，且频率的实验值与标准值比误差低于2%。
又利用偏振片及半波片获得与入射光偏振方向垂直及平行的出射光，确定了各振动的退偏度，分别为0.013、0.853、0.869、0.940，和标准值0和0.75比较偏大。
关键词:
拉曼散射、分子振动、退偏一，
引言
1928年，印度物理学家拉曼（c.V.Raman）和克利希南（K.s.Krisman）实验发现，当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，这种现象称为拉曼散射。
几乎与此同时，苏联物理学家兰斯别而格（g.Landsberg）和曼杰尔斯达姆（L.mandelstamm）也在晶体石英样品中发现了类似现象。
在散射光谱中，频率与入射光频率?
0相同的成分称为瑞利散射，频率对称分布在?
0两侧的谱线或谱带?
0?
?
1即为拉曼光谱，其中频率较小的成分?
0?
?
1又称为斯托克斯线，频率较大的成分?
0?
?
1又称为反斯托克斯线。
这种新的散
射谱线与散射体中分子的震动和转动，或晶格的振动等有关。
拉曼效应是单色光与分子或晶体物质作用时产生的一种非弹性散射现象。
拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。
因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。
目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。
20世纪60年代激光的问世促进了拉曼光谱学的发展。
由于激光极高的单色亮度，它很快被用到拉曼光谱中作为激发光源。
而且基于新激光技术在拉曼光谱学中的使用，发展了共振拉曼、受激拉曼散射和番斯托克斯拉曼散射等新的实验技术和手段。
拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源于分子的振动和转动。
它提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。
拉曼光谱的分析方向有定性分析、结构分析和定量分析。
本实验将用半导体激光器泵浦的nd3?
：
YVo4晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源研究液体样品的ccL4分子的拉曼光谱。
二，
实验原理
1，分子的振动
由n个原子组成的分子具有3n个自由度。
由于分子质心有3个平移自由度，非线性分子有3个转动自由度，因此其余3n-6个自由度是描述分子中的原子振动的。
分子内原子的振动很复杂，但是总可以根据运动的分解和叠加原理吧分子的振动分解为3n-6种独立的振动，称为“简正振动”。
可以用“简正坐标”描述简正振动，3n-6中简正振动的简正坐标为
（q1,q2,...,qi,...q3n?
6）。
每个简正坐标都以它对应的简正频率振动着，
qi?
Qicos?
?
it?
?
1?
i?
1,2,...,3n?
6
（1）
四氯化碳的分子式为ccL4，平衡时它的分子式一正四面体结构，碳原子处于正四面体的中央。
四个氯原子处于四个不相邻的顶角上，如图1所示，中间的A原子即为碳原子。
它共有九个振动自由度，一个任意的振动可以分解成九种简正振动。
图1四氯化碳分子结构
（1）四个cL原子沿各自与c的连线同时向内或向
外运动（呼吸式），振动频率相当于波数V=458/cm（为了叙述方便，记为振动模式1）。
（2）四个cl原子沿垂直于各自与c原子连线的方向运动并且保持重心不变，又分两种，在一种中，两个cL在它们与c形成的平面内运动；在另一种中，两个cL垂直于上述平面而运动，由于两种情形中力常数相同，振动频率是简并的，相当于波数V=218/cm（记为振动模式2）。
（3）c原子平行于正方体的一边运动，四个cL原子同时平行于改变反向运动，分子重心保持不变，频率相当于波数V=776/cm，为三重简并（记为振动模式3）。
（4）两个cL沿立方体一面的对角线作伸缩运动，另两个在对面做位相向反的运动，频率相当于波数V=314/cm，也是三重简并（记为振动模式4）。
2，拉曼散射的经典模型
?
?
?
对于振幅矢量为e0,角频率为?
0的入射光，分子受到该入射光电场作用时，将感应产?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
生电偶极矩p，一级近似下p?
A?
e，。
A是一个二阶张量（两个箭头表示张量），称为极
化率张量，是简正坐标的函数。
对于不同频率的简正坐标，分子的极化率将发生不同的变化，光的拉曼散射就是由于分子的极化率的变化引起的。
根据泰勒定理将A在平衡位置展开，可得
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1
p?
A0?
e0cos?
0t?
2
2
?
?
?
?
3n?
6?
?
?
?
?
A?
?
Qkcos?
?
?
?
?
?
0?
?
k?
t?
?
k?
?
?
e0?
?
?
qk?
1
?
k?
0
?
?
?
?
?
?
?
?
1?
A?
?
QkQl?
...?
?
e0?
...
（2）?
?
?
2k,l?
?
qk?
ql?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
由
（2）可以发现，A0?
e0cos?
0t表明将产生与入射光频率?
0相同的散射光，称之为
瑞利散射光。
cos?
?
?
?
0?
?
k?
t?
?
k?
?
表明，散射光中还存在频率与入射光不同，大小为
?
0?
?
k的光辐射，即拉曼散射光。
且拉曼散射光一共可以有对称的3n-6种频率，但产生与否取决于极化率张量各分量对简正坐标的偏微商是否全为零。
2，半经典理论解释拉曼散射
频率为?
0的单色光，可以看做是具有能量?
?
0的光子，而光的散射是由于入射光子和散射物分子发生碰撞后，改变传播方向而形成的。
图2是光散射机制半经典解释的一个形象表述，图中eiej表示分子的两个振动能级，虚线表示的不是分子可能的状态，只是用以表示入射光子和散射光子的能量。
碰撞如果是弹性的，如图（2a）则二者不交换能量，光子只改变运动方向而频率和能量都没有改变，这就是瑞利散射。
而发生非弹性碰撞时，如图（2b），光子和物质分子交换能量，可以看成是入射光子的湮灭和另一个不同能量散射光子的产生，与此同时，分子能量状
态发生了跃迁，导致拉曼散射光产生。
当初态能级ei低于末态能级ej时产生斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为?
0?
?
ij；而初态能级ej高于末态能级ei时产生反斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为?
0?
?
ij。
根据统计分布规律，较高能级上的分子数低于低能级上的分子数，所以拉曼散射中，反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。
3，拉曼散射的退偏度
实验所测样品中，尤其是在液态与气态的介质中，分子的取向是无规则分布的。
一般情况下，如入射光为平面偏振光，散射光的偏振方向可能与入射光不同，而且还可能变为非完全偏振的。
这一现象称为散射光的“退偏”。
散射光的退偏往往与分子结构和振动的对称性有关。
拉曼散射光的偏振性完全取决于极化率张量。
非对称振动的分子，极化率张量是一个椭球，会随着分子一起翻滚，振荡的诱导偶极矩也将不断地改变方向。
为了定量描述散射光相对入射光偏振态的改变，引入退偏度的概念。
退偏度?
即为偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比。
由理论分析可得，1号振动模式（振动频率相当于波数V=458/cm）的退偏度为0，其余三种振动模式的退偏度均为0.75。
三，
实验内容及方法
1，实验装置
图3实验装置示意图
m1—平面反射镜m2——凹面反射镜p1p2——偏振片p3—半波片L1——聚光透镜L2——成像透镜组
实验中使用半导体激光器泵浦的nd
3?
YVo4晶体并倍频后得到的波长为532nm激光。
：
样品是液态ccL4分子，装在样品池中。
光经透镜聚焦在样品池中心，成像透镜组对光进行收集。
然后单色仪收集散射光，再使用光电倍增管和光子计数器吃力拉曼散射信号。
2，实验内容
（1）调节光路，让足够多的散射光入射到单色仪中。
（2）测量ccL4分子的拉曼散射光谱，分辨出各种振动模式。
（3）确定拉曼谱线的退偏度。
实验中使用调节偏振片p1对光源进行起偏，使入射光成为平面偏振光，通过转动半波片p3改变偏振方向，这样可以实现对入射光和散射平面所成角度的控制。
对于出射光，可以通过调节偏振片p2控制出射光与散射平面所成的角度，这样便可以对退偏度进行测量。
四，
数据处理及分析
1，测量ccL4分子的拉曼散射光谱并分辨出各种振动模式。
下图即为实验中测量出的拉曼散射光谱。
图4液态ccL4分子的拉曼散射光谱
由图中可以看出一共有10个峰值，其中5号峰值，即强度最大的峰值对应的散射光即为瑞利散射。
出去瑞利散射，剩下的9个峰值正好对应理论分析中的9种振动。
由图中也可以明显地看出，瑞利散射左侧的反斯托克斯线的峰值高度要低于右侧的斯托克斯线。
从图中读出各个峰值，计算各个散射线与瑞利散射的频移，便可以判断出液态ccL4分子的各种振
篇二：
拉曼实验报告
拉曼实验报告
一、实验目的
了解拉曼测试的原理，掌握一些相关的拉曼信息。
能看懂拉曼的基本信息图，会解一些基本的拉曼图。
二、实验原理当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会暗原来的发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。
在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。
由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。
因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。
目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究
1、激光拉曼光谱的原理
光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射。
弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分。
非弹性散射的散射光有比激发光波长长和短的成分，通称为拉曼效应。
当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向投射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。
在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一些列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。
由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能及有关，因此，与红外吸收光谱类似。
对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。
目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征。
2、拉曼光谱原理
（1）光的散射
入射光通过样品后，除了被吸收的光之外，大部分沿入射方向穿过样品，一小部分光则改变方向，发生散射。
一部分散射光的波长与入射光波长相同，这种散射称为瑞利散射。
（2）拉曼散射的产生
机械力学的解释
光由光子组成，这是光的微粒性。
光子与样品分子间的相互作用，可以用光子与样品分子之间的碰撞来解释。
光照射样品时，光子和样品分子之间发生碰撞。
如果碰撞时只是运动方向改变而来发生能量交换即发生了弹性碰撞，则光子的能量不变。
由e=hν，能量不变频率也就不变。
这就是瑞利散射产生的原因。
如果光子和样品分子之间发生非弹性碰撞，即光子除改变运动方向外还有能量的改变，一部分能量碰撞时在光子和样品之间发生交换，光子的能量有所增减，则光的频率发生改变。
从能级之间的跃迁来分析
光子和样品分子之间的作用也可以从能级之间的跃迁来分析。
样品分子处于电子能级和振动能级的基态，入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。
这样，样品分子吸收光子后到达一种准激发状态，又称为虚能态。
样品分子在准激发态时是不稳定的，它将回到电子能级的基态。
若分子回到电子能级基态中的振动能级基态，则光子的能量未发生改变，发生瑞利散射。
如果样品分子回到电子能级基态中的较高振动能级即某些振动激发态，则散射的光子能量小于入射光子的能量，其波长大于入射光。
这时散射光谱的瑞利散射谱线较低频率侧将出现一根拉曼散射光的谱线，称为stokes线。
如果样品分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于电子能级基态的最低振动能级，而是处于电子能级基态的振动能级基态，这样散射光能量大于入射光子能量，其谱线位于瑞利谱线的高频侧，称为anti-stokes线。
stokes线和anti-stokes线位于瑞利谱线两侧，间距相等。
stokes线和anti-stokes线统称为拉曼谱线。
由于振动能级间距还是比较大的，因此，根据波尔滋蔓定律，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以stokes线的强度远远强于anti-stokes线。
拉曼光谱仪一般记录的都只是stokes线。
3、拉曼光谱技术的特色
特有的优势
（1）化学结构敏感性高（同分异构体,晶体，无定形结构等）
（2）无需样品预处理
（3）与样品无接触，不破坏样品
（4）可以分析含水样品以及可以研究透明窗口内的样品
（5）可以研究低频信息：
特别是对于无机材料的研究
（6）简单的光谱判读能力：
基频模式的带宽都很窄
（7）可以测量高温和高压下的样品
（8）远程在线分析
4、拉曼光谱的特点和主要困难
（1）拉曼散射信号弱；
（2）激光激发强；（3）拉曼信号频率离激光频率很近；
（4）激光瑞利散射比拉曼信号强1010-1014，对拉曼信号干扰很大；（5）拉曼光谱仪的设计，必须能排除瑞利散射光，并具有高灵敏度，才能有效地收集拉曼谱。
三、实验结果与分析
拉曼谱图的实验解析
篇三：
激光拉曼实验报告
激光拉曼及荧光光谱实验
一、实验目的
1、了解激光拉曼的基本原理和基本知识以及用激光拉曼的方法鉴别物质成分和分子结构的原理；
2、掌握LRs–II激光拉曼/荧光光谱仪的系统结构和操作方法；3、研究四氯化碳ccL4、苯c6h6等物质典型的振动—转动光谱谱线特征。
二、实验原理
2.1基本原理
分子有振动。
原子分双子的振动按经典力学的观点可以看成是简谐振子，其能量为1
e?
（:
拉曼光谱实验报告）2
mv2?
1212kx?
kA22
m?
m1m2
m1?
m2
A是振幅，k是力常数。
按照量子力学，简谐振子的能量是量子化的，
e?
（t?
1）hf
2
f?
12?
km
t=0，1，2，3，···，是振动量子数，f是振子的固有振动频率。
如果在同一电子态中，有振动能级的跃迁，那么产生的光子能量
h?
?
e2?
e1?
（t?
t）hf波数为
~?
?
1
?
?
e2?
e1f
?
（t?
?
t）?
?
t?
?
?
2?
3?
?
hcc
co在红外部分有4.67微米、2.35微米、1.58微米等光谱带，其倒数之比近似为1：
~反映了分子键的强弱。
2：
3。
当Δt=1时，测得的?
分子有转动。
双原子分子的转动轴是通过质心而垂直于联接二原子核的直线的。
按照经典力学，转动的动能是
12p2
e?
I?
?
22I
式中p是角动量，Ｉ是转动惯量，I?
m1r12?
m2r22可以证明
I?
m1m22
r?
?
r2
m1?
m2
上式中ｒ１，ｒ２和ｒ分别代表两原子到转轴的距离及两原子之间的距离，μ称为约化质量。
按照量子力学，角动量应等于
代入上式得
p?
J（J?
1）
h
,J?
0,1,2,?
2?
e?
h28?
I
2
J（J?
1）
此式可以从量子力学直接推得，Ｊ称为转动量子数。
当Ｊ＝０，１，２，３，···等值时，相应的Ｊ（Ｊ＋１）＝０，２，６，１２，···，所以能级的间隔是h2?
2I的２，４，６，８，···倍。
实验和理论都证明纯转动能级的跃迁只能在邻近能级之间，就是ΔＪ＝±１。
所得
e?
eh~?
?
?
?
[J（J?
1）?
J（J?
1）]?
2bJ
?
hc8?
2IcJ?
1,2,3,?
hb?
8?
2Ic1
光谱的波长应该有下式表达的值：
~）的间隔是相等的。
ＨcL分子远红外吸收谱中，曾观察到很多条吸收谱线波数（?
线，这些线的波数间隔应该是２Ｂ，实验测得：
Ｂ＝１０．３４厘米
－１
，所以由此求得
转动惯量Ｉ，进而求得ＨcL分子中原子之间的核间距这一重要数据。
多原子分子的转动可以近似地看作刚体的转动，这涉及到多个转轴的不同的转动惯量。
其谱线结构较为复杂，只有直线型的分子和对称高的分子转动曾研究出一些结果。
在分析化学领域中提供了一些分析样品的标准特征谱线可供实验参照。
光通过透明的物体时，有一部分被散射。
如果入射光具有线状谱，散射光的光谱中
~?
等于入射光某一波数除有入射光的谱线外，还另有一些较弱的谱线，这些谱线的波数?
~加或减一个数值，即?
~?
?
?
~?
?
~。
新出现谱线的波数与入射光的波数之差发现与?
010~不同了，但如果散射物不变换，那么光源无关，只决定于散射物。
如果换一个光源，?
0~?
?
?
~还是等于原来的?
~，散射光的波数变动反映了散射物的性质。
由于散射光的波?
10~组合的数值，所以这样的散射称作组合散射。
数等于入射光的波数与另一数值?
1
可以在紫外或可见区观测分子的振动和转动能级，通过选择波长在可见光波段的激
光光源的方法，使拉曼光谱分布在可见光区域，这样便于视觉的观察，较之红外或远红外光谱技术更为方便。
组合散射的方法不论在分子结构的研究上或工业的应用上都很重要。
因为每一种分子都有其特有的分子光谱，所以，通过分子光谱的观察可以辨认化合物，作定性和定量分析，目前，已广泛应用于物理、化学、生物及生命科学等研究领域，尤其是在石油工业上应用特别多。
拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变换，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。
拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比例关系，可以利用喇曼谱线来进行定量分析，在与激光入射方向的垂直方向上，能收集到的喇曼散射的光通量正比于：
?
R?
4?
?
?
L?
A?
n?
L?
K
ΦL为入射光照射到样品上的光通量A为拉曼散射系数，约等于10
－28
－10
－29
moL/球面度
n为单位体积内的分子数L为样品的有效体积
K为考虑到折射率和样品内场效应等因素影响的系数
利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析研究，于是建立了拉曼光谱法。
绝大多数拉曼光谱图都是以相对于瑞利谱线的能量位移来表示的，由于斯托克斯峰比较强（原因是正常状态下，处于低能级的分子数比处于高能级的分子数多），故可以比较小的位移为基础来估计Δб（以cm为单位），即Δб＝бy-б
-1
三．实验内容
1.按照连接图连接好电缆,放入待测样品ccL,打开激光器；2.按照调节说明，调节外光路,打开仪器的电源,启动应用程序；
3.通过阈值窗口选择适当的阈值,在参数设置区设置阈值和积分时间及其他参数；4.扫描，根据情况调节狭缝至最佳效果,数据处理及存储打印；5.关闭应用程序,关闭仪器电源,关闭激光器电源。
四．数据处理
LRs－II/III型激光拉曼/荧光光谱仪在实验时，是以测量四氯化碳的拉曼光谱为主要内容。
方法是：
将分析纯液态四氯化碳倒入液体池内，放入外光路的液体池架上，调整好外光路注意将散射光成像对准单色仪入射狭缝上，并将狭缝开0.1mm左右，并通过
计算机选择相应的条件，记录其拉曼光谱曲线图。
在瑞利线右侧长波方向出现五个拉曼峰视为宜，以下内容为参考数据．
λ（nm）519.3523525.9532б（cm）
-1-1
538.2541.3545.3554.5555.3
183********8007459762790
192561912119015187971857918473
Δб（cm）4593242180218324
图30LRs-II型不带陷波滤波器ccl4拉曼曲线光谱图
图31LRs-III型带陷波滤波器拉曼曲线光谱图
λ（nm）519.3523.2525.8532.0б（cm）
-1-1
538.2541.1545.3554.5555.3
183********8007
192561912119015187971857918473
Δб（cm）459316.2221.60217316459762790
图31偏振片+1/4玻片45度不带陷波滤波器ccl4拉曼曲线光谱图
图32偏振片+1/4玻片90度不带陷波滤波器ccl4拉曼曲线光谱图
λ（nm）519.2523.2525.7532.0б（cm）
-1-1
538.2540.9545.3554.3555.2
192601912019022187971858018488183391804118012
Δб（cm）4633162220217309458756785
升级会员 