Raman拉曼光谱知识讲解

样品分子中的电子首先被一
个频率为0的光子激发至受
激虚态(准激发态,不稳定), 当电子从虚态跃迁回基态时
,将发射频率为的光子.
分子的散射能级图
h0
h0
受激 虚态
h(0-△) h(0+△)
瑞利散射：
h0
光子与分子间无能量交换
瑞利线 = 0
h0
h0
拉曼散射： ●分子由基态跃迁到激发态
Stokes线
斯托克斯线 = 0-△
于瑞利线的位移表示的拉曼光谱
h0
波数与红外光谱的波数相一致。
入射
散射
h
h
E1
红外吸收 拉曼散射
E0
拉曼光谱与红外光谱
同
同属分子振(转)动光谱
异红：外红：外适用于分研子究对不同红原外子光的的极性吸键收振动 －O强H,度－由C分＝子O，偶－极C距－决X定
拉异曼：：拉适曼用于分研子究同对原激子光的非的极散性射键振动 －N－强N度－由, －分C子－C极－化，率C决＝定C
拉曼光谱与红外光谱均起源于分子的振动和转动。但产生两种 光谱的机理有本质的区别。红外光谱是分子对红外光源的吸收 所产生的光谱，拉曼光谱是分子对可见光（在FT-Raman中可 选用近红外光）的散射所产生的光谱。
同一振动模的拉曼位移和红外吸 收光谱的频率是一致的。用相对
受激虚态
h(0 - ) h(0 + )
●分子由激发态跃迁到基态
反斯托克斯线 =0+△
△－拉曼位移
0-
Rayleigh线
0
h0
振动
激发态
h△ 基态
Anti-stokes线
0+
从光的波动性分析拉曼散射的产生：
分子在光电场E中, 产生诱导偶极矩即感应偶极矩
= E 为极化率
在分子振动过程中, 若其诱导偶极矩发生变化, 则分子会 与入射光子进行能量交换, 产生拉曼光谱。 拉曼光谱的产生源于分子振动过程中诱导偶极矩的变化
■ 是衡量分子在电场作用下发生极化的难易程度 ■ 分子中两原子距离最大时， 也最大 ■ 只有引起极化率变化的分子振动才产生拉曼散射(光谱选律) ■ 拉曼散射强度与极化率成正比例关系
三、拉曼光谱图与拉曼位移
拉曼光谱图以散射强度为纵
标，拉曼位移为横标，瑞利线 位置为零点。一幅完整的拉曼 光谱包括瑞利线，斯托克斯线 ，反斯托克斯线。
互补
拉曼光谱与红外光谱
● 红外活性振动：伴有偶极矩变化的振动 ● 拉曼活性振动：伴随有极化率变化的振动
对称分子： 对称振动→拉曼活性。 不对称振动→红外活性
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
• 瑞利线强度最大,△ = 0
• 斯托克斯线和反斯托克斯线对 应，完全对称地分布于瑞利线 两侧。
• 反斯托克斯线比斯托克斯线弱 得多,一般记录的拉曼光谱只取 斯托克斯线,且略去负号.
四氯化碳的部分拉曼光谱图 激光器辐射波长l0 = 488 nm
拉曼位移 (Raman shift)
散射光频率与激发光频率之差： = |0 – s|
激光器示意图
工作2物质
产生激光振荡的一个重 要条件：两个反射镜之间的 光必须是驻波，波节在两个 反射镜处。
全反1 射镜
部分4反射镜
激光器的选频作用
激励3 能源
激光的特性: 单色性好，相位一致，方向性好，亮度高
第三节 激光拉曼光谱原理
一、光的散射
光散射是自然界常见的现象.当一束光照射介质时,除被吸收之外, 大部分被反射或透过,另一部分光被介质向四面八方散射.在散射光 中,大部分是瑞利散射,小部分是拉曼散射.
Raman拉曼光谱
● 拉曼光谱的发展
1928年,印度物理学家Raman首次发现Raman散射效应,1930年获诺 贝尔奖. 但由于拉曼散射光仅为入射光强的10-10, 当时所用光源 强度不高,产生的拉曼效应太弱,故很快被红外光谱所取代.
20世纪60年代起,随着激光技术的飞速发展,引 入新型激光作为激发光源,使得拉曼光谱技术
■全对称振动（各向同性）： p ~ 0 ■非对称振动（各向异性）： p介于0到3/4之间 ■ p值越小，分子振动对称性越高
例：四氯化碳的拉曼偏振光谱
■ 459 cm-1所对应的振 动，ρp ~0，各向同性 ■ 314和218 cm-1所对 应的振动，ρp 较大，为 各向异性
CCl4的拉曼偏振光谱
第四节 拉曼光谱与红外光谱的比较
粒子数反转
激发态原子数大于基态原子数的现象，称为粒子数 反转分布。
处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光通过
增益介质时，光就被放大。
I＝I0exp(GL)
I和I0－分别为初始和增益后的光强 G－增益系数； L－工作物质长度
激光振荡与激光器
光在工作物质两端的反 射镜间来回反射，光程增长， 受激发射光强增大，产生雪 崩式的光放大作用。
自发辐射跃迁 E2
hu E1
由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的光，方向不 同，初相位也不相同，相干性差。
受激辐射
E2
E1
当一个具有hu21能量的光子照射到处于激发态E2的原子 上, 它就诱使(带动)原子从E2跃迁到E1,同时辐射出一个 与入射光子频率、位相、传播方向完全一致的光子。 ●原子系统中各发光中心是相互关联的，相干性 ●发生1次受激辐射，光子数目增加1倍，受激放大
获得迅速发展(激光拉曼光谱).
相继出现了一些新的拉曼光谱技术,如共振拉 曼光谱法,表面增强拉曼光谱法,非线性拉曼 光谱法,快速扫描拉曼光谱法等.目前拉曼光 谱技术已在化学化工,半导体电子,聚合物,生 物医学,环境科学等各领域得到广泛应用.
C.V.Raman
第二节 激光基础知识(了解)
自发辐射
光的吸收
瑞利散射: 弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；频率不发生改变 的辐射散射(u=u0)；强度与l0的四次方成反比
拉曼散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换； 频率发生改变的辐射散射(u=u0△u)
光的 散射
光的散射
λ
拉
曼
λ
增 大
减 小
λ
散 射
变
样 透过光λ不变
品
瑞
池
利
散
射
λ
不 变
二、拉曼散射的产生
● 表征分子振-转能级的特征物理量 ● 对不同物质： 不同 ● 对同一物质： 与入射光频率无关
拉曼位移是拉 曼光谱法进行 结构与定性分
析的依据
h0
h0
h0
h0
h0
h0
h(0-△) h(0+△)
受激 虚态
振动 激发态 h△ 基态
四、退偏度
在入射激光的垂直与平行方向置偏振器，分别测得散
射光强，则退偏度： p =IHale Waihona Puke Baidu/I‖