CCl4分子振動(dòng)拉曼散射光譜

CCl4分子振動(dòng)拉曼散射光譜馬珂鑫蘭州大學(xué)2015級(jí)原子核物理專業(yè)摘要實(shí)驗(yàn)研究了CCl4拉曼光譜中的Stokes和anti-Stokes線系，記錄了這兩組線系的光譜強(qiáng)度，分析了CCl4分子的拉曼光譜。關(guān)鍵詞CCl4;拉曼光譜引言拉曼譜是以印度物理學(xué)家拉曼(C.V.Raman)命名的一種散射光譜。拉曼光譜對(duì)應(yīng)于散射分子中的能級(jí)躍遷，為研究分子結(jié)構(gòu)提供了重要手段。本文對(duì)CCl4的拉曼光譜進(jìn)行了研究，獲得了4條Stokes線以及4條anti-Stokes線，并進(jìn)行了相關(guān)的討論。實(shí)驗(yàn)原理用光照介質(zhì)，除去被介質(zhì)吸收、反射和透射外，還有一部分光被介質(zhì)散射。散射光中大部分光的頻率基本相同稱為瑞利（RayLeigh）散射光，另一部分光頻率不同于入射光頻率，通常將其中Δν>1cm-1的光稱為拉曼（Raman）散射光，Δν<1cm-1的光稱為布里淵（Brillouin）散射光。拉曼散射光的強(qiáng)度通常只為瑞利散射光的10-6~10-9單色光子與分子相互作用，可能發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞光子與分子無(wú)能量交換，光子只改變方向而不改變能量（頻率）0光的波長(zhǎng)也未改變，例如瑞利散射。非彈性碰撞光子與分子發(fā)生能量交換，光子改變了運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)能量（頻率）也改變了，光的波長(zhǎng)也發(fā)生了變化，例如拉曼散射和布里淵散射。從經(jīng)典角度解釋，可以看做入射光的電磁波使原子或分子電極化后產(chǎn)生的。設(shè)空間中一分子，在頻率為ω的光波作用下，感生出一個(gè)電偶極矩，在光波不是太強(qiáng)時(shí)，感生的電極矩大小與入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。即p=αijE式中αij為極化率張量若分子以????做簡(jiǎn)諧振動(dòng)：??????=??0????+∑??’????????，其中??’????=?αij?qn，qn=qn0cosωn??；入射電磁波以圓頻率????振蕩：????(??一階近似下，????=??????????=??0????0cos??????+??0∑??’????????0cos???????cos??????=??0????0cos??????+12??0∑??’????????0[cos(????+????)??+cos(?????????)??上式第一項(xiàng)是在入射光誘導(dǎo)下出現(xiàn)的電偶極矩變化項(xiàng)，產(chǎn)生的輻射與入射光具有相同的頻率，是瑞利散射光，為彈性散射；第二、三項(xiàng)是圓頻率分別為(????±????)的振蕩項(xiàng)，可視為入射光在介質(zhì)中的誘導(dǎo)偶極矩受到分子振動(dòng)的調(diào)制，前者為anti-Stokes線，后者為Stokes線，為非彈性散射。量子理論的基本觀點(diǎn)是把拉曼散射看作光量子與分子相碰撞時(shí)產(chǎn)生的非彈性碰撞過(guò)程。當(dāng)入射的光量子與分子相碰撞時(shí)，可以是彈性碰撞的散射，也可以是非彈性碰撞的散射。在彈性碰撞過(guò)程中，光量子和分子均沒(méi)有能量交換，于是它的頻率保持恒定，這叫瑞利散射，在非彈性碰撞過(guò)程中光量子與子有能量交換，光量子轉(zhuǎn)移一部分能量給散射分子，或者從散射分子中吸收一部分能量，從而使它的頻率發(fā)生變化。它取自或給以散射分子的能量只能是分子兩定態(tài)之間的差值，即ΔE=E1-E2，當(dāng)光量子把一部分能量交給分子時(shí)，光量子則以較小的頻率散射出去。散射分子接受的能量轉(zhuǎn)變成為分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量，從而處于激發(fā)態(tài)E1,這時(shí)光量子的頻率為ν’=ν0-Δν.當(dāng)分子預(yù)先已經(jīng)處于振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的激發(fā)態(tài)E1時(shí)，光量子則從散射分子中取得了能量ΔE(振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量)，以更大的頻率散射，其頻率為ν’=ν0+Δν,這樣則可以解釋斯托克斯線和反斯托克斯線的產(chǎn)生了。實(shí)驗(yàn)表明，拉曼散射光的偏振狀態(tài)因分子振動(dòng)模式不同可能與激發(fā)光的偏振狀態(tài)不同，我們用退偏比來(lái)描述這種情況。定義退偏比可以證明，對(duì)于分子的完全對(duì)稱振動(dòng)0≤ρ⊥≤3/4，CCL4的振動(dòng)方式如下圖所示共9種，簡(jiǎn)并為四種模式，其中除了A1為完全對(duì)稱的模式，其他三種都不是對(duì)稱振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果激發(fā)波長(zhǎng)為532.0nm，瑞利線波長(zhǎng)531.0nm，對(duì)應(yīng)波數(shù)為18832.39cm-1，測(cè)量所得數(shù)據(jù)如下（光譜圖見(jiàn)附件）峰數(shù)波數(shù)(cm^-1)拉曼位移(cm^-1)理論值百分誤差119627.09-794.697762.41%219278.97-446.574582.49%319131.43-299.043144.76%419040.37-207.972184.60%618604.65227.742184.47%718518.52313.873140.04%818345.26487.134586.36%918040.77791.627762.01%其中前四個(gè)峰為anti-Stokes線，第五個(gè)峰為瑞利線，后四個(gè)峰為Stokes線。相關(guān)討論anti-Stokes線強(qiáng)度低的原因?瑞利散射光和拉曼散射光的強(qiáng)度與入射光照射的分子數(shù)成正比。所以，Stokes拉曼強(qiáng)度正比于處于最低能級(jí)狀態(tài)分子的數(shù)量，而anti-Stokes拉曼強(qiáng)度正比于處于次高振動(dòng)能級(jí)的分子數(shù)。在熱平衡時(shí)，低振動(dòng)能級(jí)的分子數(shù)總是大于次高振動(dòng)能級(jí)的分子數(shù)，所以anti-Stokes拉曼強(qiáng)度較低。根據(jù)譜線能量區(qū)分四種振動(dòng)四種振動(dòng)能級(jí)均簡(jiǎn)并，不同類的振動(dòng)具有不同的能量，可以據(jù)此區(qū)分。幾乎所有包含真實(shí)的分子鍵的物質(zhì)都可以用于拉曼光譜分析，即固體、粉末、軟膏、液體、膠體和氣體都可以使用拉曼光譜進(jìn)行分析。但是，通常金屬以及合金是無(wú)法通過(guò)拉曼光譜進(jìn)行分析的。雖然氣體樣品也可以通過(guò)拉曼光譜進(jìn)行分析，但是由于氣體的分子密度特別低，所以測(cè)量氣體的拉曼光譜相對(duì)較難，通常需要用到大功率激光器和較長(zhǎng)路徑的樣品池。在某些情況下，氣體的壓力很高，例如礦物中的氣體包裹體，此時(shí)普通的拉曼光譜儀就可以滿足測(cè)試要求。思考題一張譜圖，縱軸、橫軸代表什么量？一般情況下橫軸為拉曼位移，縱軸為光的強(qiáng)度。什么是拉曼位移？它給出分子的什么信息？拉曼位移為散射光與入射光波數(shù)的差值，能夠通過(guò)拉曼位移確定分子結(jié)構(gòu)。如果入射的激發(fā)線是6328?，那么拉曼位移1000cm-1的Stokes和anti-Stokes線的波長(zhǎng)各是多少?？anti-Stokes線1000cm-1=（1Stokes線1000cm-1=（1λ1=6756?，λ2=5951?雙單色儀的光路是怎么樣的？為什么用雙單色儀抑制雜散光？用光柵的組合抑制雜散光，阻擋直接到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)表面的非成像廣信，對(duì)到達(dá)象面的雜散光能量進(jìn)行有效衰減，使其經(jīng)過(guò)兩次以上的散射或反射等使用光電倍增管應(yīng)該注意些什么？為防止環(huán)境光和潮濕空氣對(duì)管子的影響,暗室應(yīng)具有良好的光密性和氣密性能。管子或管座必須用酒精或醚清洗干凈。管子加高壓工作時(shí),電壓應(yīng)由最低高到工作需要的電壓值,停止工作時(shí),應(yīng)先把管子高壓降到最低值后再切斷高壓電源。扦拔管子時(shí)一定要小心,防止管腳受力過(guò)大和過(guò)猛,引管子芯柱炸裂而被損壞。參考文獻(xiàn):[1]王海