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raman 光谱 - 复旦大学物理教学实验中心fudan physics teaching lab
Raman 光谱
实验目的:
1. 对拉曼散射的基本原理和实验方法有一个初步了解。
2. 测量CCl 的分子的振动拉曼谱,对其结构和对称性作分析
4
原理及仪器介绍
第一部分:拉曼色散的原理
1 拉曼散射的经典理论
在经典理论中,光是一种电磁波,当光入射到物体上时,光场使得物体的分子或原子产
生一个分子偶极矩。其极化强度与电场的关系为
P aE
a a
被称为分子极化率。它是一个3×3 的张量。在一级近似中 被认为它应由两部分组
成:一部分是一个常数a 0,另一部分是分子振动 a 贡献的总和,这些 正频率的贡献应
随时间做周期性变化,所以
a a 0 an cos wt
P 和 E 的方向相同。设入射光为 w 的单色光,其 电场强度 E=E coswt ,则
0
P E0a0 cos wt E0 an cos wt cos wt
1
cos 2 [cos2 ( ) cos 2 ( ) ]
E0a0 pvt E0 an p v vn t p v vn t
2
可以看出上式第一项产生的辐射与入射光具有相同的频率υ,是瑞利散射光;第二项为
其散射频率分别为 (v-v )和 (v+v ),前者为斯托克斯拉曼线,后者为反斯托克斯拉曼线。
n n
利用经典的电磁波理论,可能得到三条散射光,但是并不能计算出三条光的强度,要得
到强度要依靠量子力学。
2 拉曼散射的量子力学描述
hn 0 hn 0 hn 0 hn 0 hn 0 h n 0 n hn 0 h n 0 n
- 1 -
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量子力学中,能量与光频率的关系为
E=hv
在量子理论中,将光看成光量子。当入射的光量子与分子进行弹性碰撞时,光量子与分
子均没有能量交换,于是它的频率保持恒定,这叫瑞利散射;同时光量子会与分子进行非弹
性碰撞,光量子会与分子有能量交换,分子因此而会能级跃迁。如果光子使分子从基态跃迁
到激发态,那么会激发斯托克斯线。反之就会产生反斯托克斯
假如物质是处于温度T 的平衡状态,则分子处在 能态的分布遵循玻尔兹曼统计分布,
所以处于激发态的分子数N1 与基态的分子数No 的比为:
N1/N0= (g1/g0)exp (- (E1-E0)/kT)
其中,g1 和g0 分别为激发态和基态的简并度 g1=g0=1,反斯托克斯线强度I1 与斯
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