表面结构与表面分析irasraman.ppt

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表面结构与表面分析irasraman

1 1 光与材料的作用 Fig. 9.7 Source: M. W. Urban FT-IR装置原理图 Fig. 9.8 Source: M. W. Urban FT-IR和IRAS两用装置 Fig. 9.9 Source: M. W. Urban * 北京大学化学与分子工程学院 - 表面与材料小组 * 表面结构与表面分析 * 表面结构与表面分析 * 北京大学化学与分子工程学院 - 表面与材料小组 * 表面振动光谱 (IRAS Raman) K. Nakamoto, Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds, Wiley Interscience, 1992. G. Hertberg, Molecular Spectra and Molecular Structure, Parts I – III, 2nd Edition, Van Nostrand, 1950. M. W. Urban, Vibrational Spectroscopy of Molecules and Macromolecules on Surfaces, John Wiley and Sons, Inc., 1993. J. T. Yates and T. E. Madey, Vibrational Spectroscopy of Molecules on Surfaces, Plenum, 1987. 主要参考书 概 论 测量表面及其吸附物种的振动谱的另一类技术,是光谱的应用。实际上,光谱在液相和气相中应用有着很长的历史了,一般以吸收和透射光谱的形式出现。最常见的是红外光谱(Infrared Spectroscopy)和拉曼光谱(Raman Spectroscopy)。随着检测和分析技术的进步,它们有很多变种,傅里叶分析技术的引入,产生了FT-IR(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy)和FT-RS(Fourier-transform Raman Spectroscopy)。? 然而,这些检测体相的光谱技术,不能够直接用于表面吸附物种的分析。一个主要的问题是表面科学中常用的单晶样品,光是无法透过的,因此一般吸收和透射光谱是无法应用的。很自然地,反射光谱的采用是合理的想法。由此,产生了IRAS(Infrared Reflection Absorption Spectroscopy,红外反射吸收光谱)和SERS(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,表面增强拉曼光谱)。? 本课程假定大家已有基本的红外和拉曼光谱知识,着重讨论如何将红外和拉曼光谱分析技术应用于表面物种的检测。 最初的问题:检测和描述原子是如何聚在一起形成分子的?希望用谱学的方法在分子水平上得到分子中的原子之间的成键力及其能量。这就需要三个基本因素:电磁辐射源;样品;检测器。 ? 原子=带正电的原子核 + 带负电的电子 ? 偶极子。 分子可看成是电振荡的电偶极相连而成的。 偶极矩可以是永久的,也可以是暂时的。 ? 振动引起的偶极矩的变化,产生红外活性; 电子云变化导致极化率变化,产生拉曼活性。 分子光谱起源 分子的能量可以表达为: Etot为总能量;Erot为转动能;Evibr为振动能;Eelectr为电子能量;Etrans为平动能。? 这些能量可以分离开来,分别讨论,原因是:电子速率比原子的振动速率快,原子核的振动速率比分子转快;电子和平动能比原子振动和转动大得多,故而可以分离出去。 分子光谱起源 当电磁辐射撞击到分子时,只有入射辐射波的能量与成键原子的振动能相当时,才会与分子产生相互作用。这可由Bohr关系式来描述: ?E是两个量子态E1和E2的能量差,h为Planck常数,?为入射光的振动频率。? 分子转动能一般在1 ~ 102 cm-1 (波长为104 ~ 102 ?m),而振动能一般在102 ~ 104 cm-1 (波长为102 ~ 1 ?m)。一般情况下,振动谱中很难检测到分子转动能的小波数范围。 分子光谱起源 红外光引起的纯振动跃迁的激发遵守电偶极跃迁的选律,并由经典的电磁理论描述;特别地,一个振动的偶极矩可以吸收或发出辐射。结果是,振动分子中的周期性的偶极矩变化导致同样频率的辐射的吸收或发射。 ? 电磁理论告诉我们,吸收或发射的强度与偶极矩变化的平方成正比。对于k级跃迁,强度为: 其中?d为偶极矩,x为偏离平衡位

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