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拉曼光谱实验报告 实验原理 1、拉曼散射的经典模型 对于振幅矢量为,角频率为的入射光，分子受到该入射光电场作用时，将感应产生电偶极矩，一级近似下，。是一个二阶张量（两个箭头表示张量），称为极化率张量，是简正坐标的函数。对于不同频率的简正坐标，分子的极化率将发生不同的变化，光的拉曼散射就是由于分子的极化率的变化引起的。根据泰勒定理将A在平衡位置展开，可得 （2） 由（2）可以发现，表明将产生与入射光频率相同的散射光，称之为瑞利散射光。表明，散射光中还存在频率与入射光不同，大小为的光辐射，即拉曼散射光。且拉曼散射光一共可以有对称的3N-6种频率，但产生与否取决于极化率张量各分量对简正坐标的偏微商是否全为零。 半经典理论解释拉曼散射 频率为的单色光，可以看做是具有能量的光子，而光的散射是由于入射光子和散射物分子发生碰撞后，改变传播方向而形成的。图2是光散射机制半经典解释的一个形象表述，图中表示分子的两个振动能级，虚线表示的不是分子可能的状态，只是用以表示入射光子和散射光子的能量。 碰撞如果是弹性的，如图（2a）则二者不交换能量，光子只改变运动方向而频率和能量都没有改变，这就是瑞利散射。而发生非弹性碰撞时，如图（2b），光子和物质分子交换能量，可以看成是入射光子的湮灭和另一个不同能量散射光子的产生，与此同时，分子能量状态发生了跃迁，导致拉曼散射光产生。当初态能级低于末态能级时产生斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为；而初态能级高于末态能级时产生反斯托克斯拉曼散射，出射光子频率为。根据统计分布规律，较高能级上的分子数低于低能级上的分子数，所以拉曼散射中，反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。 拉曼散射的退偏度 实验所测样品中，尤其是在液态与气态的介质中，分子的取向是无规则分布的。一般情况下，如入射光为平面偏振光，散射光的偏振方向可能与入射光不同，而且还可能变为非完全偏振的。这一现象称为散射光的“退偏”。散射光的退偏往往与分子结构和振动的对称性有关。拉曼散射光的偏振性完全取决于极化率张量。非对称振动的分子，极化率张量是一个椭球，会随着分子一起翻滚，振荡的诱导偶极矩也将不断地改变方向。 为了定量描述散射光相对入射光偏振态的改变，引入退偏度的概念。退偏度即为偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比。 由理论分析可得，1号振动模式（振动频率相当于波数V=458/cm）的退偏度为0，其余三种振动模式的退偏度均为0.75。 实验内容及方法 1，实验装置 图2 实验装置示意图 M1—平面反射镜 M2——凹面反射镜 P1 P2——偏振片 P3—半波片 L1——聚光透镜 L2——成像透镜组 实验中使用半导体激光器泵浦的：晶体并倍频后得到的波长为532nm激光。样品是液态分子，装在样品池中。光经透镜聚焦在样品池中心，成像透镜组对光进行收集。然后单色仪收集散射光，再使用光电倍增管和光子计数器吃力拉曼散射信号。 2，实验内容 调节光路，让足够多的散射光入射到单色仪中。 测量分子的拉曼散射光谱，分辨出各种振动模式。 确定拉曼谱线的退偏度。 实验中使用调节偏振片P1对光源进行起偏，使入射光成为平面偏振光，通过转动半波片P3改变偏振方向，这样可以实现对入射光和散射平面所成角度的控制。对于出射光，可以通过调节偏振片P2控制出射光与散射平面所成的角度，这样便可以对退偏度进行测量。 数据处理及分析 表 1 分子拉曼散射谱线的频移及振动模式的判断 序号 波长（nm） 强度 频率（/cm） 标准频率（/cm） 振动模式 误差（%） 1 510.9 695 776.310 776 3 0.040 2 519.5 4771.8 452.287 458 1 1.247 3 523.2 5639.1 316.157 314 4 0.687 4 526 7323.3 214.414 218 2 1.645 5 531．9 449727.5 0 —— —— —— 6 538.3 12574.1 219.991 218 2 0.913 7 541.2 12831.2 319.535 314 4 1.763 8 545.2 16438.5 455.099 458 1 0.633 9 554.2 3717.2 759.474 —— —— —— 10 555.3 3704.5 788.709 776 3 1.638 从表中可以看出，在瑞利散射两侧对称的分布着4种振动（振动模式在实验原理中已经做了约定，表中做标记即可明显地看出其对称性），和理论分析的振动模式吻合，误差在允许范围内。但是注意到其中9号线没有与之对应的振动模式，而在实验中却观察到了，此振动模式应该是由理论分析的4种振动耦合而来的。 2，确