固体物理实验红外与拉曼
红外光谱和拉曼光谱分析物质结构
红外光谱：基团测定；拉曼光谱：分子骨架测定；拉曼光谱与红外光谱可以互相补充、互相佐证。
4.3互排与互允法则
STEP3
STEP2
STEP1
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。
相互禁阻规则：对于少数分子振动，其红外和拉曼光谱都是非活性的。即分子的振动既没有偶极距的变化也没有极化率的变化。
拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。
瑞利散射和拉曼散射原理
物质分子总在不停地振动，这种振动是由各种简正振动叠加而成的。结构不对称的分子，具有偶极矩；结构对称的分子不产生偶极矩，但在容易被极化。
当简正振动能产生偶极矩的变化时，它能吸收相应的红外光，即这种简正振动具有红外活性；当分子在振动时产生极化度的变化，它与入射光子产生能量交换，使散射光子的能量与入射光子的能量产生差别，这种能量的差别称为拉曼位移(Raman Shift)，它与分子振动的能级有关，拉曼位移的能量水平也处于红外光谱区。
红外和拉曼光谱分析物质结构
材料学: 梁晓峰(B080459)
2022 - 2023
主要内容
Catalogue
光学分析法
O1
拉曼散射光谱分析法
红外吸收光谱分析方法
红外光谱和拉曼光谱的异同
O2
O3
O4
1光是一种电磁辐射，其能量与其频率直接相关，与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等。基于电磁辐射与物质间作用而建立起来的一类分析方法，称为光学分析法。
物质晶格的振动对其最近邻周围非常敏感, 因而拉曼散射可以探测到如晶格空间量级范围的结构及其特性。在固体材料中拉曼激活的机制很多，反映的范围也很广：如分子振动，各种元激发（电子，声子，等离子体等），杂质，缺陷等晶相结构，颗粒大小，薄膜厚度，固相反应，细微结构分析，催化剂等方面的信息。
红外光谱IR和拉曼光谱Raman课件
优缺点分析
IR光谱
优点是检测的分子类型广泛，可用于多种类型的化学分析；缺点是需要样品是固态或液态，且某些基团可能无法 检测。
Raman光谱
优点是无需样品制备，对气态、液态和固态样品都适用；缺点是检测灵敏度相对较低，可能需要更长的采集时间 和更强的光源。
选择与应用指南
选择
根据样品的类型和所需的化学信息，选择合适的分析方法。对于需要检测分子振动信息 的样品，IR光谱更为合适；而对于需要快速、非破坏性检测的样品，Raman光谱更为
领域的研究和应用。
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CATALOGUE
红外光谱（IR）与拉曼光谱（ Raman）比较相似性与差异性Fra bibliotek相似性
两种光谱技术都利用光的散射效应来 检测物质分子结构和振动模式。
差异性
IR光谱主要检测分子中的伸缩振动， 而Raman光谱则主要检测分子的弯曲 振动。此外，IR光谱通常需要样品是 固态或液态，而Raman光谱对气态和 液态样品也适用。
拉曼散射是由于物质的分子振动或转动引起的，散射光的频率与入射光的频率不同 ，产生拉曼位移。
拉曼散射的强度与入射光的波长、物质的浓度和温度等因素有关。
拉曼活性与光谱强度
拉曼活性是指物质在拉曼散射中的表 现程度，与物质的分子结构和对称性 有关。
在拉曼光谱实验中，可以通过控制入 射光的波长和强度，以及选择适当的 实验条件来提高拉曼光谱的强度和分 辨率。
红外光谱解析
特征峰解析
根据红外光谱的特征峰位置和强 度，推断出分子中存在的特定振
动模式。
官能团鉴定
通过比较已知的红外光谱数据，可 以鉴定分子中的官能团或化学键。
结构推断
结合其他谱图数据（如核磁共振、 质谱等），可以推断分子的可能结 构。
物理学中的红外光谱和拉曼光谱
物理学中的红外光谱和拉曼光谱红外光谱和拉曼光谱是物理学中常见的两种光谱分析技术。
红外光谱（Infrared Spectroscopy）是通过测量吸收红外光的能力来分析物质的分子结构和化学键的情况；而拉曼光谱（Raman Spectroscopy）则是通过测量分子和晶格结构对入射光的散射来分析物质的分子结构和化学键的状态。
这两种光谱分析技术已成为当今科学技术领域中不可或缺的重要工具。
红外光谱常用于分析物质的分子结构，还可分析分子中的化学键。
分子中的原子可通过它们的质量、电荷和其环境对红外光的散射和吸收，发生振动和旋转。
每个分子都有自己的特定振动模式，包括结构和运动序列。
当红外光照射样品时，这些振动模式会形成一个可识别和特异的吸收图谱。
吸收的图谱可分为不同的区域，每个区域可对应特定的化学键或分子结构。
通过识别样品中各区域的特征吸收带，研究人员可以分析样品中存在的分子结构和化学键种类，从而了解样品的组成和特性。
与红外光谱相比，拉曼光谱具有更高的分辨率和更广的适用范围。
拉曼光谱中的散射光谱是通过入射光与样品分子或物质中发生的振动和旋转的相互作用而产生的。
这种光谱分析方法具有非破坏性、快速和高灵敏度等优点。
由于在红外光谱中存在的低频振动模式在拉曼光谱中也很活跃，因此该技术与红外光谱相比较而言，可提供更准确和更灵敏地分析可得到更高的分辨率。
目前，世界上许多领先的科学研究机构和实验室都应用拉曼光谱技术来研究从天体物质到分子生物学等研究值得注意的范围，以展现其在此领域中不可或缺的作用。
虽然红外光谱和拉曼光谱技术在科学、医学和工程领域中都有着广泛的应用，但这些技术也存在一些仍需注意、继续深究的领域。
例如，在生物医学领域中，研究人员正在探索利用红外光谱和拉曼光谱技术来识别癌细胞、病毒和菌株。
这些应用还需要更多的研究、开发和改进，才能更好地用于检测、治疗和预防世界各地所面临的健康问题。
综而言之，红外光谱和拉曼光谱技术在物理学中的应用非常广泛，并成为现代科学研究中不可或缺的重要工具。
红外和拉曼原理及性能分析
极化率是分子的平均偶极矩u与电场强度E的比 值。符号α ；u=αE 它是统计平均值
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红外与拉曼谱图对比
红外：基团 拉曼：分子骨架的测定
甲基的特征吸收频率： 2960cm-1 2870cm-1 1460cm-1 1380cm-1
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红外与拉曼光谱的相互补充
2
红外光谱的表示方法
以透过率T~λ 或T~ν 来表示： ν / cm−1 = 104 /(λ /μm)
T(%)= I/I0×100%， I—透过强度，I0—入射强 度
3
T(%)
红外光谱的区域
4
红外特征吸收产生的条件
产生红外特征吸收的必要条件：
➢辐射光子应具有能满足物质产生振动跃迁所 需的能量 ➢辐射与物质间有相互耦合作用
• 拉曼散射信号的接收类型分单通道和多 通道接收两种。 光电倍增管接收属于单通道接收。
检测记录系统
为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处 理方法是直流放大、选频和光子计数， 然后用记录仪或计算机接口软件画出图 谱。
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小结：红外与拉曼原理的区别
红外光谱 吸收；分子在振动跃迁过程中有偶极矩的改 变 偶极矩指正、负电荷中心间的距离d和电荷中心 所带电量q的乘积，表达式为μ=qd，方向规定为 从正电中心指向负电中心。
E0 + h0 h0
h0 h0
E1
V=1
E0
V=0
h(0 - )
h0 ( + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态.
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激光拉曼光谱仪
仪器组成
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光源
• 它的功能是提供单色性好、功率大并且 最好能多波长工作的入射光。目前拉曼 光谱实验的光源己全部用激光器代替历 史上使用的汞灯。对常规的拉曼光谱实 验，常见的气体激光器基本上可以满足 实验的需要，常用氩离子激光器。最常 用的两条激发线的波长分别为 514.5 nm 和 488.0 nm。
红外光谱与拉曼光谱的区别
红外光谱与拉曼光谱的区别1）拉曼谱峰比较尖锐，识别混合物，特别是识别无机混合物要比红外光谱容易。
2）在鉴定有机化合物方面，红外光谱具有较大的优势，主要原因是红外光谱的标准数据库比拉曼光谱的丰富。
3）在鉴定无机化合物方面，拉曼光谱仪获得400cm-1以下的谱图信息要比红外光谱仪容易得多。
所以一般说来，无机化合物的拉曼光谱信息量比红外光谱的大。
4）拉曼光谱与红外光谱可以互相补充、互相佐证。
红外光谱与拉曼光谱的比较1、相同点对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。
因此，对某一给定的化合物，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。
2、不同点（1）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；（2）红外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；（3）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，是极化率的改变，产生诱导偶极，当返回基态时发生的散射。
散射的同时电子云也恢复原态；（4）红外光谱用能斯特灯、碳化硅棒或白炽线圈作光源而拉曼光谱仪用激光作光源；（5）用拉曼光谱分析时，样品不需前处理。
而用红外光谱分析样品时，样品要经过前处理，液体样品常用液膜法和液体样品常用液膜法，固体样品可用调糊法，高分子化合物常用薄膜法，体样品的测定可使用窗板间隔为2.5-10 cm的大容量气体池；（6）红外光谱主要反映分子的官能团，而拉曼光谱主要反映分子的骨架主要用于分析生物大分子；（7）拉曼光谱和红外光谱可以互相补充，对于具有对称中心的分子来说，具有一互斥规则：与对称中心有对称关系的振动，红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。
分子拉曼和红外
分子拉曼和红外都是分子光谱技术，用于研究分子的振动和转动状态。
分子拉曼光谱是通过测量分子对激光的散射来获取分子的振动和转动信息。
当激光照射到分子上时，分子会吸收部分光能并发生振动和转动，这些振动和转动会导致分子的极化率发生变化，从而改变分子对激光的散射。
通过测量散射光的频率和强度，可以得到分子的振动和转动信息。
红外光谱是通过测量分子对红外光的吸收来获取分子的振动和转动信息。
当红外光照射到分子上时，分子会吸收部分光能并发生振动和转动，这些振动和转动会导致分子的偶极矩发生变化，从而改变分子对红外光的吸收。
通过测量吸收光的频率和强度，可以得到分子的振动和转动信息。
分子拉曼和红外技术都可以用于分子结构的鉴定、化学反应的研究、材料的表征等领域。
它们的主要区别在于拉曼光谱是通过测量散射光的频率和强度来获取分子的振动和转动信息，而红外光谱是通过测量吸收光的频率和强度来获取分子的振动和转动信息。
此外，拉曼光谱对非极性分子的检测更敏感，而红外光谱对极性分子的检测更敏感。
拉曼与红外联系与区别
红外吸收光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的。只有当振动时，分 子的偶极矩发生变化时（固有偶极矩），该振动才具有红外活性。
+对于d 分-子中的同+一d个` -基团，它+-的红d=0外光谱+-吸d收=0 峰的位置和拉曼光谱峰Байду номын сангаас位置是相同的。
极性分子
非极性分子（N2、O2等）
固有偶极矩（Permanent dipole）： 如图中的水分子，对于极性分子， 都会存在，由于电荷点乘位置矢量 叠加后的总矢量不为零。
吸收光谱
散射光谱
化学分子的偶极矩
分子的电子云极化
能斯特灯、碳化硅棒等作光源； 样品需前处理
激光作光源；样品不需前处理
水的吸收强，严重影响测试结 吸收弱，可以应用于生物的活
果，限制了应用领域
体测试
主要反映分子的官能团
主要反应分子的骨架，用于分 析生物大分子
红外光谱仪
拉曼光谱仪
产生的机理
常规测量范围 光谱产生的方式
检测对象 检测要求 水溶液样品 谱图信息
红外
拉曼
振动引起分子偶极矩或电荷分 布变化产生的
由于键上电子云分布产生瞬间 变形引起暂时极化，是极化率 的改变，产生诱导偶极，当返 回基态时发生的散射。散射的
同时电子云也恢复原态
400-4000 cm-1
40-4000 cm-1
反斯托克斯线(anti-Stokes)：发 射光子频率高于原入射光子频率。
Rayleigh
Stokes Anti-Stokes
拉曼位移(Raman shift)：对不同物质：△V不同；
（横坐标）
对同种物质：拉曼位移与入射频率V0无关，表征 分子振-转能级的特征物理量。
物理实验技术中的红外与拉曼光谱分析方法
物理实验技术中的红外与拉曼光谱分析方法红外光谱和拉曼光谱是物理实验中常用的分析方法，能够帮助科学家研究物质的结构和性质。
本文将探讨红外光谱和拉曼光谱的原理、应用以及在物理实验技术中的重要性。
在物理实验中，红外光谱和拉曼光谱被广泛应用于分析不同材料的化学成分和结构。
红外光谱通过测量物质吸收或散射红外光的波长来确定其分子振动信息，从而帮助科学家鉴定和定量分析物质。
而拉曼光谱则是通过测量物质散射光的频率来研究物质的分子振动和晶格振动。
这两种光谱技术在物理实验中有着广泛的应用，不仅可以用于化学、材料科学等领域的研究，还可以用于生物医学等领域的研究。
红外光谱分析方法的原理基于分子的振动吸收。
每个分子都有一些特定的频率，当红外光与分子相互作用时，分子会吸收特定频率的能量并发生振动。
这些吸收带的位置和强度可以提供关于分子结构和化学键的信息。
通过红外光谱分析，科学家可以研究材料的组成、纯度、分子间的相互作用等。
拉曼光谱与红外光谱不同，它是通过测量物质分子或晶格的光散射来研究其结构和性质的。
当光线通过物质时，其中一部分光线将散射出去，在散射过程中，光子与物质相互作用发生频率的变化，这就是拉曼散射现象。
通过测量散射光的频率，可以获得物质的拉曼光谱。
拉曼光谱可以提供关于物质的化学组成、晶格结构以及分子之间的相互作用等信息。
在物理实验中，红外光谱和拉曼光谱被广泛使用于材料科学的研究中。
例如，科学家可以利用红外光谱和拉曼光谱来研究有机化合物、聚合物材料以及表面涂层等材料的结构和性质。
通过分析这些材料的光谱数据，科学家可以进一步了解它们的热稳定性、力学性能和化学反应性等。
此外，红外光谱和拉曼光谱还可以应用于催化剂的研究、纳米颗粒的表征以及生物医学领域的研究中。
物理实验技术中的红外光谱和拉曼光谱分析方法的重要性不可忽视。
这些分析方法不仅提供了关于物质结构和性质的重要信息，还可以帮助科学家设计和合成新材料，改善现有材料的性能。
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IR spectra of the pentacene films on 11 J=cm2 and 320 J=cm2 exposed Azo-PI. (c) LPL
exposure dependence of DR (A /A ) of the Azo-PI films (1370 cm-1 band) and the pentacene
Anti-Stokes 1st order
Stokes 2nd order
-500
0
500
1000
Raman Shift (cm-1)
更全面了解Raman Spectrum
红外和Raman光谱的比较
电磁波波段
红外光波段
红外和Raman光谱测量
红外光谱仪光路示意图
红外谱仪中使用的元器件
红外测量最主要的特点是特殊元件的需要，包括光源、 分光元件和光学窗口等。（大多数材料对红外光有强 烈的吸收）
• 非色散法多用于特定的检测。例如用于气体的分析等。 优点是方便使用，缺点是参数变动困难。
• 针对特殊的样品和特殊的需要，有很多特殊的红外测 量方法。如光电导法、辐射量热法、光声光谱法、光 热光谱法、反射式、内反射式、消逝波式等
反射测量方法
光学常数之间彼此不是独立的，通过一组光学常数的测定可 以得到另外的光学常数。而K-K关系告诉我们，一组光学常 数也不是彼此独立的。
First order-allowed Raman Gband for supported nGL films vs number of layers n.
Nano Lett., 6 (12), 2667(06)
In situ probing of biological structures by SHINERS.
Science, 346, 1352(2014)
Fig. 4 Various ultrasmooth metallic and metal-graphene nanostructures made by LSI with enhanced electromagnetic and optical properties.
films (905 cm-1 band).
(Phys. Rev. Lett., 101, 236103 (2008))
High-frequency first- and second-order micro-Raman spectra of nGL films supported on a SiO2:Si substrate and HOPG
红外内反射测量方法
光电导方法和量热法
• 光源：钨灯用于近红外、电热棒用于中红外、高压水 银弧光灯用于远红外波段。（同步辐射光源）
• 分光元件——反射式光栅 • 红外光学窗口和反射式光学元件
FT-IR谱仪基本框图
FT-IR谱仪的基础——Michelson干涉仪
单色光入射，干涉强度的变化
两列单色光1 、2入射，干涉强度的变化
普通光入射后，干涉强度的变化
传统红外光谱仪和FTIR谱仪特点
• 传统透射式红外谱仪适合中红外波段应用。
• FTIR谱仪更适合在远红外波段应用，但现在也已经普 遍应用于中红外波段。
• FTIR使用的光学元件较少，不用狭缝，因此光通量大。 此外，测量比较节约时间。
其它红外光谱测量方法
• 红外光谱的测量有很多方法，这些方法可分为：色散 法、FTIR和非色散法（滤波法）。
F Yang et al. Nature 510, 522-524 (2014) doi:10.1038/nature13434
Characterizations of SWNTs nucleated on catalyst nanoparticles.
F Yang et al. Nature 510, 522-524 (2014) doi:10.1038/nature13434
JF Li et al. Nature 464, 392-395 (2010) doi:10.f ringwoodite inclusion in Juína diamond JUc29.
DG Pearson et al. Nature 507, 221-224 (2014) doi:10.1038/nature13080
红外和Raman光谱学
第一章：红外和Raman光谱介绍
• 什么是红外光谱？什么是Raman光谱 • 红外谱仪和 Raman谱仪 • 红外光谱和Raman光谱方法的特点 • 红外光谱和Raman光谱研究的基本问题
红外和Raman光谱举例
Characterizations of SWNTs grown at 1,030 °C.
Reaction of sMMO with O2.
R Banerjee et al. Nature 000, 1-4 (2015) doi:10.1038/nature14160
(a) Polarized IR spectra of the Azo-PI film with a LPL exposure of 320 J=cm2. (b) Polarized
Huang Gao et al. Science 2014;346:1352-1356
Published by AAAS
Raman spectra of ringwoodite and walstromite inclusions in Juína diamond JUc29.
DG Pearson et al. Nature 507, 221-224 (2014) doi:10.1038/nature13080
Raman Spectrum of Si (300 K)
Raman Intensity (a.u.)
Rayleigh (Elastic) Scattering
Actually the effect is MUCH stronger
than Raman scattering
Stokes 1st order