大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：喇曼光譜實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)日期：2013-12-01學(xué)號(hào)：2120302002 實(shí)驗(yàn)人員：黃雨詩(shī)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.拍攝喇曼光譜并觀察；2.學(xué)會(huì)推測(cè)出分子拉曼光譜的基本概貌，如譜線數(shù)目、大致位置、偏振性質(zhì)和它們的相對(duì)強(qiáng)度；3.從實(shí)驗(yàn)上確切知道譜線的數(shù)目和每條線的波數(shù)、強(qiáng)度及其應(yīng)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)方式（為此有時(shí)需輔以紅外光譜等手段）。4.以上兩個(gè)方面工作的結(jié)合和對(duì)比，利用拉曼光譜獲得有關(guān)分子的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性的信息。二、實(shí)驗(yàn)原理： （1）喇曼效應(yīng)和喇曼光譜:當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)的和短的成分，后一

2、現(xiàn)象統(tǒng)稱為喇曼效應(yīng)。由分子振動(dòng)、固體中的光學(xué)聲子等元激發(fā)與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射稱為喇曼散射，一般把瑞利散射和喇曼散射合起來(lái)所形成的光譜稱為喇曼光譜（2）喇曼光譜基本原理: 設(shè)散射物分子原來(lái)處于基電子態(tài)，振動(dòng)能級(jí)如下圖所示。當(dāng)受到入射光照射時(shí)，激發(fā)光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態(tài)，虛能級(jí)上的電子立即躍遷到下能級(jí)而發(fā)光，即為散射光。設(shè)仍回到初始的電子態(tài)，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為喇曼線。在喇曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的

3、譜線稱為反斯托克斯線。瑞利線與喇曼線的波數(shù)差稱為喇曼位移，因此喇曼位移是分子振動(dòng)能級(jí)的直接量度。下圖給出的是一個(gè)喇曼光譜的示意圖。（3）喇曼效應(yīng)的經(jīng)典電磁解釋：如分子，在激發(fā)光的交變場(chǎng)作用下發(fā)生感生極化，也就是正負(fù)電中心從相合變?yōu)橄嚯x，成為電偶極子。這感生電偶極子是隨激發(fā)場(chǎng)而交變的，因此它也就是成了輻射體。簡(jiǎn)單的與激光同步的發(fā)射，就成為瑞利散射。然而分子本身有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，各有其特種頻率。這些頻率比激發(fā)光的頻率低一兩個(gè)數(shù)量級(jí)或更多些，于是激發(fā)光的每一周期所遇的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)相位不同，相應(yīng)的極化率也不同。（4）當(dāng)光入射到樣品上時(shí)的三種情況：1.光子同樣品分子發(fā)生了彈性碰撞，沒(méi)有能量交換，只是改變了

4、光子的運(yùn)動(dòng)方向，此時(shí)散射光頻率=入射光頻率: hwk = hw1；2.如頻率為w1的入射光子被樣品吸收，樣品分子被激發(fā)到能量為hwr的振動(dòng)能級(jí)L = 1上，同時(shí)發(fā)生頻率為ws= w1 - wL的斯托克斯散射；3.如果分子處于振動(dòng)能級(jí)為L(zhǎng) = 1的激發(fā)態(tài)，入射光子吸收了這一振動(dòng)能級(jí)的的能量就會(huì)發(fā)生頻率為was= w1 +wL的反斯托克斯散射。三、實(shí)驗(yàn)儀器： 儀器：激光拉曼/熒光光譜儀（單色儀，激光光源，外光路系統(tǒng)及樣品裝置，聚光部件，分光系統(tǒng)，探測(cè)系統(tǒng)等） 儀器使用原理： 拉曼光譜實(shí)驗(yàn)的光學(xué)原理圖： 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.選擇鼠標(biāo)右鍵菜單的“打開激光器"開始調(diào)整光路；2.點(diǎn)擊單色儀狹縫,調(diào)

5、出窗口畫面模擬在入射狹縫處放一白紙觀察銳利光的現(xiàn)象,即綠色光亮條紋是否清晰.若清晰切進(jìn)入狹縫就不要調(diào)整.若不正常,調(diào)整上圖所示綠色橢圓所圈的聚光凹面鏡旋鈕；3. 選擇鼠標(biāo)右鍵菜單的“拍攝喇曼光譜"調(diào)出光譜拍攝界面。4、進(jìn)行閾值分析,，選定閾值之后,關(guān)閉閾值分析界面,點(diǎn)擊"掃描光譜"按鈕,開始拍攝光譜。（1）閾值分析（2）光譜掃描（3）波形放大：峰值處：實(shí)驗(yàn)樣品CCL4 的譜圖分析：以上實(shí)驗(yàn)樣品為CCL4。CCL4分子由一個(gè)碳原子和四個(gè)氯原子組成，四個(gè)氯原子位于正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)，碳原子在正四面體的中心。CCL4分子具有9個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式，所以CCL4的哈曼光譜中有九

6、個(gè)峰值，如上圖。五、誤差分析：系統(tǒng)誤差：本次實(shí)驗(yàn)為仿真實(shí)驗(yàn)，因此從理論上來(lái)講沒(méi)有系統(tǒng)誤差，不過(guò)實(shí)際操作時(shí)會(huì)因入射、出射狹縫，孔徑角的匹配，激發(fā)波長(zhǎng)的而導(dǎo)致誤差。 人為誤差：沒(méi)有調(diào)整好光譜儀等。六、思考題：1.在喇曼光譜實(shí)驗(yàn)中為了得到高質(zhì)量的譜圖,除了選用性能優(yōu)異的光譜儀外,正確的使用光譜儀，控制和提高儀器的分辨率和信噪比是很重要的.提高儀器的分辨率和信噪比的主要因素是什么?實(shí)驗(yàn)中如何實(shí)現(xiàn)和鑒別？控制儀器分辨率的主要因素：（1）入射、出射狹縫：隨著狹縫寬度加大，分辨率線性下降，使譜線展寬。（2）孔徑角的匹配：由于分辨率是光柵寬度的線性函數(shù)，如果收集光系統(tǒng)不能照明整個(gè)光柵，則儀器分辨率將會(huì)下降。提

7、高儀器信噪比的主要因素：（1）激發(fā)功率提高激發(fā)光強(qiáng)度或增加縫寬能夠提高信噪比；（2）激發(fā)波長(zhǎng)。一般用長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光譜線作為激發(fā)光，對(duì)獲得高質(zhì)量的譜圖有利。2.研究單光子計(jì)數(shù)器的作用,實(shí)驗(yàn)中如何選取脈沖幅度甄別器的甄別電平（閾值）。 選取脈沖幅度甄別器的甄別電平（閾值）要滿足：把幅度低于甄別電平的脈沖抑制掉。只讓幅度高于甄別電平的脈沖通過(guò)以來(lái)實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。3.分析喇曼光譜的特點(diǎn)及其應(yīng)用。特點(diǎn)： 1.對(duì)同一樣品，同一拉曼線的波數(shù)差與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)；2.其次在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，如果以入射光波數(shù)為中心點(diǎn)，則斯托克斯線和反斯托克斯線對(duì)稱地分裂在入射光的兩邊；3.斯托克斯的強(qiáng)度一般都大于反斯托克斯線的強(qiáng)度。拉曼光譜的上述特點(diǎn)是散射體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反映，也是拉曼散射固有機(jī)制的體現(xiàn)。應(yīng)用：1.利用喇曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學(xué)成分。2.外界條件的變化對(duì)分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同程度的影響，因此喇曼光譜的也常被用來(lái)研究物質(zhì)的濃度，溫度和壓力等效應(yīng)。3.喇曼光譜分析