物理实验实验报告Word文件下载.docx
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F一
=7
1
F
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，后者称为拉曼线。
在拉曼线中，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谱线称为反斯托克斯线。
瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直接量度。
下图给出的是一个拉曼光谱的示意图。
（3）拉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，只是改变了光子的运动方向,此时散射光频率=入射光频率：
hVk=hw;
?
hui
hu
2.
hvL的振动能级
如频率为vi的入射光子被样品吸收，样品分子被激发到能量为L=1上，同时发生频率为Vs=Vi-Vl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Vas=Vl-VL的反斯托克斯散射。
（5）拉曼光谱在外观上有三个明显的特征：
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，贝慚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。
（6）拉曼光谱的退偏度
在拉曼散射中，当电磁波与某一系统相互作用时，该系统的偏振态经常发生变化，这种现象称为退偏。
退偏度反映了分子振动的对称情况；
退偏度的定义如下所述：
由于拉曼散射光的偏振状态取决于入射光的偏振状态、散射系统的取向和观察方向，所以先要定义一个参考平面，通常取入射光传播方向和观测方向组成的平面，称为散射平面。
当入射光为平面偏振光，且偏振方向垂直于散射平面，而观测方向在散射平面内与入射光传播方向成二角时，定义退偏度为-;
当入射光偏振方向平行于散射平面时，定义退偏度为，具体形式［为：
其中，光强：
左上标表示入射光的电矢量与散射平面的关系，■的右下标表示
图1入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振的情况
例如，入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振时，散射平面为y-z平面，沿y轴观察时，如图1所示，其退偏度为
-7（T2）
当入射光沿y轴方向偏振时，散射光的退偏度为：
"
昏（3）
当入射光为自然光时，有:
V（g）_Z„（g）+I（g）
ZD-T（眄£
匚（日）
可以证明，对于入射光为线偏光的情况，有:
p（^'
2）=1
（5.2）
对于自然光，则有:
其中，二称为平均极化率，是“平均”极化率的度量；
称为各向异性率,
是极化率各向异性率的度量。
它们是研究分子振动对称性的重要参数。
2.2CC4退偏度的理论计算
2.2.1实验样品：
：
的谱图分析
“cl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。
而N个原子构成的分子，当NA3寸，有（3N-6）个内部振动自由度，因此.匚分子具有9个简正振动方式。
每类振动所具有的振动方式数目对应于量子力学中
能级简并的重数，所以如果某一类震动有g个振动方式，就称为该类振动是g重简并的。
根据以上讨论的拉曼光谱基本原理，可以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；
可以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）。
以上两个方面工作的结合和对比，就可以利用拉曼光谱获得有关分子的结构和对称性的信息。
2.2.2CC4的分子结构及振动模式
CC4分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个顶点，共有9种简正振动方式，根据分子对称性的结构，这9种简正振动可以归成下列A1,E,T1,T2四类振动方式，在同一类中，各振动方式具有相同的能量，因而它们是简并的，A1，E,T1,T2的振动方式分别为：
1）A1.4个…原子沿各自与c的连线同时向外或向内运动（呼吸式）。
2）E.4个二沿垂直于各自与c的连线的方向运动并保持重心不变，两重简并'
3）T1.C原子平行于正方形的一边运动，4个二原子同时平行于该边反向运动。
分子重心保持不变，三重简并
4）T2.2个」原子沿立方体一面的对角线做伸缩运动，另两个在对面做位相相
反的运动，也是三重简并。
图2:
匚分子的9种简正振动
不考虑耦合引起的微扰，上述悦:
屯四种振动方式对应于拉曼光谱的四种不同的散射波数或频率差，也即每种对应一条斯托克斯线和一条反斯托克斯线。
除了A1模式是对称的之外，其他三种模式都是反对称的。
223'
门：
退偏度的理论计算
在电磁辐射的经典理论中，一个圆频率为'
的振荡电偶极矩，不论是物质固有的或由外场感生的，都能辐射频率为’’的电磁波［3］。
在拉曼散射中，一个频率为.的光入射到一个分子上时，可以感应产生电偶极矩，在一级近似下，所产生的电偶极矩，-与入射光波电场-的关系为:
其中，…为极化率张量，■为分子的振动频率
它与分子的结构和取向有关，可以证明它是对称张量⑻。
对同一个体系，选取不同的坐标系，极化率张量的各分量也会发生改变，但有两个极化率张量分量的组合量为不变量，分别是：
尸=尿必-心『一（咗-码$+雄-o:
+硝+M2｝】
/就是（2.1.2）,（2.1.3）中的平均极化率和各项异性率。
现计算CC4
个振动模式对应的平均极化率7和各向异性率Y。
对于振动模式T1，有:
◎立二气二茂圧=遵二码二0
血（暫⑵=三p32）=¥
同理，对于振动模式E、T2,,
对于对称振动A1，由于分子对称性和振动对称性是一致的，因此有
眄=41二监4二％:
产蚣二处=o从而孑p_（=J二o
综上所述，：
在几种特殊情况下退偏度的理论结果列表如下:
振动模
式
P丄（"
）
p（x/2）
A1
E/T1/T2
3/4
6/7
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）
四、实验内容：
1..获取CCL分子的振动拉曼光谱、振动拉曼偏振光谱。
调节拉曼光谱仪的外光路，注意两个要点：
a.观察到瑞利光的成象清晰，并进入摄谱仪的入射狭缝；
b.调整聚光部件，使汇聚光的腰部正好位于样品管中心，从各个方面观察，激光束都应通过样品的中心。
2.拟定实验方案拍摄四氯化碳样品，并以激光光源的瑞利线校正摄谱仪的读
数，精确标出各谱峰位置，求出各相应的拉曼位移。
（用cm-1表示）的拉曼光
谱，分析其异同点及其原因。
3.入射光为线偏振光的退偏度测量
利用实验室提供的偏振片、1/2波片等研究CCL（四氯化碳）拉曼光谱的退偏度特性，并于理论值比较。
（1）调节好拉曼光谱仪和各项参数，使得入射狭缝的光强最强，并且噪声较小。
（2）将偏振片P1放置到相应位置，调节角度为0度，使入射光经起偏后对于散射面为垂直偏振光。
放置1/2波片，令1/2波片的快轴指向同偏振方向平行。
虽然1/2在线偏光测量时并无作用，但这样做可以保证下面在进行自然光测量的时候，实验条件不改变从而保证两次结果叠加的可靠性。
（3）将P2放置到相应位置，调节角度为0度，使散射光对于散射面为平行偏振，启动软件进行一次500〜560nm的单程测量。
（4）将P2角度调整为90度，使散射光对于散射面为垂直偏振，再进行
次相同范围的测量。
（5）将调整P2前后得到的图像和峰值数据整合到一起进行比较，利用公式
算出各峰的p丄。
五、实验结果
CCL的拉曼光谱:
特征峰波长/nm
519.3
523.0
525.9
538.2
541.3
545.3
波数差/cm-1
459.7
323.5
218.0
-216.5
-322.9
-458.5
特征峰高
853.7
640.0
956.7
1762.8
1759.9
4495.6
从图中可以看出正斯托克斯和反斯托克斯线各有三条。
且对应的波数差相差不大。
CCL的退偏度:
1［丄：
//］（n/2）
754.8
982.5
1829.0
1789.8
162.2
丄］（n/2）
919.9
1333.1
2462.7
2466.3
6234.8
p丄（n/2）
0.821
0.737
0.743
0.726
0.026
误差分析：
p丄（n/2）的理论值为0.75,实验测得的数据与理论相接近，误差较
小。
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
六、思考题:
1.在拉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。
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