大学物理仿真实验实验报告

1、大学物理仿真实验实验报告实验名称：喇曼光谱实验 实验日期：2013-12-01学号：2120302002 实验人员：黄雨诗一、 实验目的：1.拍摄喇曼光谱并观察；2.学会推测出分子拉曼光谱的基本概貌，如谱线数目、大致位置、偏振性质和它们的相对强度；3.从实验上确切知道谱线的数目和每条线的波数、强度及其应对应的振动方式（为此有时需辅以红外光谱等手段）。4.以上两个方面工作的结合和对比，利用拉曼光谱获得有关分子的结构和对称性的信息。二、实验原理： （1）喇曼效应和喇曼光谱:当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一

2、现象统称为喇曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为喇曼散射，一般把瑞利散射和喇曼散射合起来所形成的光谱称为喇曼光谱（2）喇曼光谱基本原理: 设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如下图所示。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，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为喇曼线。在喇曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的

3、谱线称为反斯托克斯线。瑞利线与喇曼线的波数差称为喇曼位移，因此喇曼位移是分子振动能级的直接量度。下图给出的是一个喇曼光谱的示意图。（3）喇曼效应的经典电磁解释：如分子，在激发光的交变场作用下发生感生极化，也就是正负电中心从相合变为相离，成为电偶极子。这感生电偶极子是随激发场而交变的，因此它也就是成了辐射体。简单的与激光同步的发射，就成为瑞利散射。然而分子本身有振动和转动，各有其特种频率。这些频率比激发光的频率低一两个数量级或更多些，于是激发光的每一周期所遇的分子振动和转动相位不同，相应的极化率也不同。（4）当光入射到样品上时的三种情况：1.光子同样品分子发生了弹性碰撞，没有能量交换，只是改变了

4、光子的运动方向，此时散射光频率=入射光频率: hwk = hw1；2.如频率为w1的入射光子被样品吸收，样品分子被激发到能量为hwr的振动能级L = 1上，同时发生频率为ws= w1 - wL的斯托克斯散射；3.如果分子处于振动能级为L = 1的激发态，入射光子吸收了这一振动能级的的能量就会发生频率为was= w1 +wL的反斯托克斯散射。三、实验仪器： 仪器：激光拉曼/荧光光谱仪（单色仪，激光光源，外光路系统及样品装置，聚光部件，分光系统，探测系统等） 仪器使用原理： 拉曼光谱实验的光学原理图： 四、实验内容：1.选择鼠标右键菜单的“打开激光器"开始调整光路；2.点击单色仪狭缝,调

5、出窗口画面模拟在入射狭缝处放一白纸观察锐利光的现象,即绿色光亮条纹是否清晰.若清晰切进入狭缝就不要调整.若不正常,调整上图所示绿色椭圆所圈的聚光凹面镜旋钮；3. 选择鼠标右键菜单的“拍摄喇曼光谱"调出光谱拍摄界面。4、进行阈值分析,，选定阈值之后,关闭阈值分析界面,点击"扫描光谱"按钮,开始拍摄光谱。（1）阈值分析（2）光谱扫描（3）波形放大：峰值处：实验样品CCL4 的谱图分析：以上实验样品为CCL4。CCL4分子由一个碳原子和四个氯原子组成，四个氯原子位于正四面体的四个顶点，碳原子在正四面体的中心。CCL4分子具有9个简正振动方式，所以CCL4的哈曼光谱中有九

6、个峰值，如上图。五、误差分析：系统误差：本次实验为仿真实验，因此从理论上来讲没有系统误差，不过实际操作时会因入射、出射狭缝，孔径角的匹配，激发波长的而导致误差。 人为误差：没有调整好光谱仪等。六、思考题：1.在喇曼光谱实验中为了得到高质量的谱图,除了选用性能优异的光谱仪外,正确的使用光谱仪，控制和提高仪器的分辨率和信噪比是很重要的.提高仪器的分辨率和信噪比的主要因素是什么?实验中如何实现和鉴别？控制仪器分辨率的主要因素：（1）入射、出射狭缝：随着狭缝宽度加大，分辨率线性下降，使谱线展宽。（2）孔径角的匹配：由于分辨率是光栅宽度的线性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。提

7、高仪器信噪比的主要因素：（1）激发功率提高激发光强度或增加缝宽能够提高信噪比；（2）激发波长。一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高质量的谱图有利。2.研究单光子计数器的作用,实验中如何选取脉冲幅度甄别器的甄别电平（阈值）。 选取脉冲幅度甄别器的甄别电平（阈值）要满足：把幅度低于甄别电平的脉冲抑制掉。只让幅度高于甄别电平的脉冲通过以来实现单光子计数。3.分析喇曼光谱的特点及其应用。特点： 1.对同一样品，同一拉曼线的波数差与入射光波长无关；2.其次在以波数为变量的拉曼光谱图上，如果以入射光波数为中心点，则斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分裂在入射光的两边；3.斯托克斯的强度一般都大于反斯托克斯线的强度。拉曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的反映，也是拉曼散射固有机制的体现。应用：1.利用喇曼光谱可以鉴别和分析样品的化学成分。2.外界条件的变化对分子结构和运动产生不同程度的影响，因此喇曼光谱的也常被用来研究物质的浓度，温度和压力等效应。3.喇曼光谱分析