喇曼光谱与光谱技术

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1、喇曼光谘与光谘技术尹民中国科学技水大学物理系喇曼效应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，后一现象统称为喇曼效应。由分子振动、内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。由于喇曼散射非常弱，所以一直到1928年冰被印度物理学家喇曼等所发现。他们在用汞灯的单色光来照射某些液体时，在液体的散射光巾观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的儿个月后，苏联物理学家兰德斯别尔格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在

2、。TheNobelPrizeinPhysics1930“forhisworkonthescatteringoflightandforthediscoveryoftheeffectnamedafterhim”1SirChandrasekharaVenkataRaman（1888-1970）2CalcuttaUniversityCalcutta,India喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就足喇曼光谱具有广泛应用的原因。喇曼效应起源于分子振动（和点阵振动）与转动，因此从喇曼光谱屮可以得到分子振动能级（点阵振动能级）与转动能级结构的知识

3、。喇曼散射强度是十分微弱的，大约为瑞利散射的千分之一。在激光器出现之前,为了彳7到一幅完善的光谱，往往很费时间。激光器的出现使喇曼光谱学技术发生了很大的变革。这是巾于激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得喇曼光谱的近f•理想的光源。于是喇曼光谱学的研究乂变得非常活跃了，其研究范ra也有了很人的扩展。除扩人了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面喇曼光谱技术也已成为很有用的工具。以下是其一些典型应用：喇曼光谱一些典型应用Materialchecks:anorganicandorganiccontaminations,stres

4、sCorrosionsproducts:identificationofdifferentoxidesCarbondiamond-CVDandnaturalamorphouscarboncarbonfibresAdsorbatesoncatalystsandelectrodesurfacesForensicdetection&identificationofdrugs,explosives,fabricsetc.MineralogyandGemmologyCharacterizationinclusionspurityArtidentificationofmaterialsandpaint

5、ings,(restauration!)1.喇曼光谱基本原理喇曼效应的机制和炎光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的上能级来解释，玻恩和黄昆用虚的上能级概念说明了喇曼效应。下阁是说明喇曼效应的一个简化的能级图。Virtualstate1kAkStokesRayleighAntiStokesVibrationallevels1411Groundelectronicstate因而散射光屮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。在喇曼线屮，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率人于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。Viftual

6、stateik▲JStokesRayleighAntiStokesVibrationallevels1r411Groundelectronicstate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。RayleighStokesAnti-StokesCO(fromLarryG.Anderson,UniversityofColoradoatDenver,US)请注意：1).在示意图屮斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布于瑞利线的两侧，这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。2).反斯托兑斯线的强度远小于斯托兑

7、斯线的强度，这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。RayleighStokesAnti-StokesCO3750.0SUOOO(N

8、2HOO.O1250.0入（nm）5【9352352595325»2541.35«>3554555536(cm1)垂925619121190:5IF79718579IM73I8B81«0351S007A(cm*1)459324rs0218S24