CCl4分子振动拉曼散射光谱

CCl4分子振动拉曼散射光谱马珂鑫兰州大学2015级原子核物理专业摘要实验研究了CCl4拉曼光谱中的Stokes和anti-Stokes线系，记录了这两组线系的光谱强度，分析了CCl4分子的拉曼光谱。关键词CCl4;拉曼光谱引言拉曼谱是以印度物理学家拉曼(C.V.Raman)命名的一种散射光谱。拉曼光谱对应于散射分子中的能级跃迁，为研究分子结构提供了重要手段。本文对CCl4的拉曼光谱进行了研究，获得了4条Stokes线以及4条anti-Stokes线，并进行了相关的讨论。实验原理用光照介质，除去被介质吸收、反射和透射外，还有一部分光被介质散射。散射光中大部分光的频率基本相同称为瑞利（RayLeigh）散射光，另一部分光频率不同于入射光频率，通常将其中Δν>1cm-1的光称为拉曼（Raman）散射光，Δν<1cm-1的光称为布里渊（Brillouin）散射光。拉曼散射光的强度通常只为瑞利散射光的10-6~10-9单色光子与分子相互作用，可能发生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞光子与分子无能量交换，光子只改变方向而不改变能量（频率）0光的波长也未改变，例如瑞利散射。非弹性碰撞光子与分子发生能量交换，光子改变了运动方向，同时能量（频率）也改变了，光的波长也发生了变化，例如拉曼散射和布里渊散射。从经典角度解释，可以看做入射光的电磁波使原子或分子电极化后产生的。设空间中一分子，在频率为ω的光波作用下，感生出一个电偶极矩，在光波不是太强时，感生的电极矩大小与入射光的电场强度成正比。即p=αijE式中αij为极化率张量若分子以𝜔𝑛做简谐振动：𝛼𝑖𝑗=𝛼0𝑖𝑗+∑𝛼’𝑖𝑗𝑞𝑛，其中𝛼’𝑖𝑗=∂αij∂qn，qn=qn0cosωn𝑡；入射电磁波以圆频率𝜔𝐿振荡：𝐸𝑗(𝑡一阶近似下，𝑃𝑖=𝛼𝑖𝑗𝐸𝑗=𝛼0𝑖𝐸0cos𝜔𝐿𝑡+𝐸0∑𝛼’𝑖𝑗𝑞𝑛0cos𝜔𝑛𝑡∙cos𝜔𝐿𝑡=𝛼0𝑖𝐸0cos𝜔𝐿𝑡+12𝐸0∑𝛼’𝑖𝑗𝑞𝑛0[cos(𝜔𝐿+𝜔𝑛)𝑡+cos(𝜔𝐿−𝜔𝑛)𝑡上式第一项是在入射光诱导下出现的电偶极矩变化项，产生的辐射与入射光具有相同的频率，是瑞利散射光，为弹性散射；第二、三项是圆频率分别为(𝜔𝐿±𝜔𝑛)的振荡项，可视为入射光在介质中的诱导偶极矩受到分子振动的调制，前者为anti-Stokes线，后者为Stokes线，为非弹性散射。量子理论的基本观点是把拉曼散射看作光量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰撞过程。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射，也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，光量子和分子均没有能量交换，于是它的频率保持恒定，这叫瑞利散射，在非弹性碰撞过程中光量子与子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收一部分能量，从而使它的频率发生变化。它取自或给以散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值，即ΔE=E1-E2，当光量子把一部分能量交给分子时，光量子则以较小的频率散射出去。散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能量，从而处于激发态E1,这时光量子的频率为ν’=ν0-Δν.当分子预先已经处于振动或转动的激发态E1时，光量子则从散射分子中取得了能量ΔE(振动或转动能量)，以更大的频率散射，其频率为ν’=ν0+Δν,这样则可以解释斯托克斯线和反斯托克斯线的产生了。实验表明，拉曼散射光的偏振状态因分子振动模式不同可能与激发光的偏振状态不同，我们用退偏比来描述这种情况。定义退偏比可以证明，对于分子的完全对称振动0≤ρ⊥≤3/4，CCL4的振动方式如下图所示共9种，简并为四种模式，其中除了A1为完全对称的模式，其他三种都不是对称振动。实验结果激发波长为532.0nm，瑞利线波长531.0nm，对应波数为18832.39cm-1，测量所得数据如下（光谱图见附件）峰数波数(cm^-1)拉曼位移(cm^-1)理论值百分误差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%其中前四个峰为anti-Stokes线，第五个峰为瑞利线，后四个峰为Stokes线。相关讨论anti-Stokes线强度低的原因?瑞利散射光和拉曼散射光的强度与入射光照射的分子数成正比。所以，Stokes拉曼强度正比于处于最低能级状态分子的数量，而anti-Stokes拉曼强度正比于处于次高振动能级的分子数。在热平衡时，低振动能级的分子数总是大于次高振动能级的分子数，所以anti-Stokes拉曼强度较低。根据谱线能量区分四种振动四种振动能级均简并，不同类的振动具有不同的能量，可以据此区分。几乎所有包含真实的分子键的物质都可以用于拉曼光谱分析，即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析。但是，通常金属以及合金是无法通过拉曼光谱进行分析的。虽然气体样品也可以通过拉曼光谱进行分析，但是由于气体的分子密度特别低，所以测量气体的拉曼光谱相对较难，通常需要用到大功率激光器和较长路径的样品池。在某些情况下，气体的压力很高，例如矿物中的气体包裹体，此时普通的拉曼光谱仪就可以满足测试要求。思考题一张谱图，纵轴、横轴代表什么量？一般情况下横轴为拉曼位移，纵轴为光的强度。什么是拉曼位移？它给出分子的什么信息？拉曼位移为散射光与入射光波数的差值，能够通过拉曼位移确定分子结构。如果入射的激发线是6328Å，那么拉曼位移1000cm-1的Stokes和anti-Stokes线的波长各是多少Å？anti-Stokes线1000cm-1=（1Stokes线1000cm-1=（1λ1=6756Å，λ2=5951Å双单色仪的光路是怎么样的？为什么用双单色仪抑制杂散光？用光栅的组合抑制杂散光，阻挡直接到达光学系统表面的非成像广信，对到达象面的杂散光能量进行有效衰减，使其经过两次以上的散射或反射等使用光电倍增管应该注意些什么？为防止环境光和潮湿空气对管子的影响,暗室应具有良好的光密性和气密性能。管子或管座必须用酒精或醚清洗干净。管子加高压工作时,电压应由最低高到工作需要的电压值,停止工作时,应先把管子高压降到最低值后再切断高压电源。扦拔管子时一定要小心,防止管脚受力过大和过猛,引管子芯柱炸裂而被损坏。参考文献:[1]王海