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第二章 激光拉曼光谱 Laser Raman spectroscopy 一、激光拉曼光谱基本原理 1928年,印度科学家C.V.Raman首先在CCl4光谱中发现了当光与分子相互作用后,一部分光的波长会发生改变(颜色发生变化),通过对于这些颜色发生变化的散射光的研究,可以得到分子结构的信息,因此这种效应命名为Raman效应。他也因此获得1930年的诺贝尔物理奖。 二、拉曼光谱选律和选择定则 三、拉曼光谱与红外光谱的关系 四、拉曼光谱法实验技术 4.1 仪器组成 4.2 样品的处理方法 气体样品 液体样品 单晶、固体粉末 拉曼光谱单独使用或与红外相结合用于: 特定环境中进行离子或分子种类鉴别和光谱表征; 测定这类物质的空间构型。 碳材料的表征 1)区分同类型的聚合物 2) 聚合物的取向 聚对苯二甲酸乙二醇酯 a)融熔纺丝 b)Tg以上退火 c) 拉伸后退火 3)立体规整性 例如:聚丙烯 a) 无规 b) 间规 c) 等规 血清的拉曼光谱 * * 光散射现象 蓝天 晚霞 大海 太阳光进入大气层,较多短波长的蓝光被散射而布满天空。 早晚人们看到掠过地球表面的光,含有较多长波长的红光而呈现出红霞。 太阳光入射海水时,蓝色的光被海水散射而布满海水表层,红色的光射入到较深的海中。 1.1 光散射 光散射 漫反射 样品 λ0 λ0 λ0 λ0 λ 弹性散射 非弹性散射 散射波长不变 散射波长发生变化 弹性散射 延德尔散射 瑞利散射 I与λ无关 I正比于1/λ4 1、拉曼效应 表面散射 体内散射 ?scatter ?laser 瑞利散射 ?scatter= ?laser 拉曼散射 散射光:弹性散射(频率不发生改变-瑞利散射) 非弹性散射(频率发生改变-拉曼散射) ?laser 频率发生改变的散射称为拉曼散射 h ?? h?0 h?0 h(?0 + ??) E1 + h?0 E0 + h?0 h(?0 - ??) 激发虚态 Rayleigh散射 Raman散射 E0 E1 V=1 V=0 电子基 态 E0 E1 V=1 V=0 最低激发 电子能级 Raman散射的两种跃迁能量差: (1) ?E=h(?0 - ??) 产生stokes线; ANTI-STOKES ?0 - ?? Rayleigh STOKES ?0 + ?? ?0 h(?0 + ??) E0 E1 V=1 V=0 E1 + h?0 E2 + h?0 h ?? h?0 h(?0 - ??) (2) ?E=h(?0 + ??) 产生反stokes线; Raman位移:Δν=| ν 0 – ν s |, 即散射光频率与激发光频之差。 Δv取决于分子振动能级的改变,所以它是特征的。 适用于分子结构分析 与入射光波长无关 强度不同 1.2 小结: 正常情况下,由于分子大多数是处于基态,测量到的斯托克斯强度比反斯托克斯线强的多,所在在一般拉曼光谱分析中,都采用斯托克斯线研究拉曼位移。 拉曼散射与入射光的波数无关,只与物质本身的分子结构所固有的振动和转动能级结构有关,其范围为25~4000cm-1。因此拉曼技术检测分子可用于鉴别物质的种类。 CCl4的拉曼光谱 Stocks lines anti-Stockes lines Rayleigh scattering 互排法则:有对称中心的分子其分子振动 对红外和拉曼之一有活性,则另一非活性 互允法则:无对称中心的分子其分子振动 对红外和拉曼都是活性的。 结构分析:H4C4N4 拉曼C=C 1623 cm-1 强 红外C=C 1621 cm-1 强 同 同属分子振(转)动光谱 异:红外 分子对红外光的吸收 强度由分子偶极距决定 异:拉曼 分子对激光的散射 强度由分子极化率决定 红外:适用于研究不同原子的极性键振动 -OH, -C=O,-C-X 拉曼:适用于研究同原子的非极性键振动 -N-N-, -C-C- 互补 红外及拉曼光谱法的相同点在于,某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同,红外吸收波数与拉曼位移均在红外光区,两者都反映分子的结构信息。 红外光谱的入射光及检测光均是红外光,而拉曼光谱的入射光大多数是可见光,散射光也是可见光。 红外光谱测定的是光的吸收,横坐标用波数或波长表示,而拉曼光谱测定的是光的散射,横坐标是拉曼位移。 两者的产生机理不同:红外吸收是由于振动引起分子偶极矩或电荷分布变化产生的;拉曼散射是由于键上电子云分布产生瞬间变形引起暂时极化,产生诱导偶极,当返回基态时发生的散射。散射
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