拉曼光谱 Raman spectra 材料科学系 蔡紫轩 16307110327 高歌谣 16307110411

目 录 01 02 03 04 05 实验前期准备 实验原理 实验仪器与具体步骤 实验结果分析及数据处理 实验误差分析与改进意见 CONTENTS 目 录 实验前期准备 01 实验原理 02 实验仪器与具体步骤 03 实验结果分析及数据处理 04 实验误差分析与改进意见 05

01 前期准备 了解拉曼效应的发现过程

兰斯别而格 G.Landsberg 曼杰尔斯达 L.Mandelstamm 拉曼C.V.Raman 发现：光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化，每一条入射谱线都有相应的变散射线！ 兰斯别而格 G.Landsberg 曼杰尔斯达 L.Mandelstamm 拉曼C.V.Raman

02 实验原理 1.拉曼散射 2.经典理论解释 3.半经典理论描述 4.拉曼散射的退偏度 5.拉曼效应的运用

→ → 弹性碰撞 没有能量交换 只是改变光子运动方向 散射光的频率与入射光的频率基本相同 （小于3×105HZ） 非弹性碰撞 发生能量交换 相互碰撞 → 光的散射 光子 物质分子 → 弹性碰撞 没有能量交换 只是改变光子运动方向 散射光的频率与入射光的频率基本相同 （小于3×105HZ） 非弹性碰撞 发生能量交换 光子改变运动方向与能量 散射光频率与入射光频率不同 强度很弱 大约只有入射线的10 瑞利散射 瑞利线 拉曼散射

中央的是瑞利散射线，强度最强 低频一侧的是斯托克斯线 强度比瑞利线的强度弱很多 约为其几百万分之一至上万分之一 高频的一侧是反斯托克斯线 斯托克斯线 瑞利散射线 反斯托克斯线 低频一侧的是斯托克斯线 强度比瑞利线的强度弱很多 约为其几百万分之一至上万分之一 高频的一侧是反斯托克斯线 和斯托克斯线对称的分布在瑞利线两侧 强度比斯托克斯线的强度又要弱很多 拉曼线

经典理论解释 入射光作用下分子被诱导一个偶极矩，在入射光场不太强的情况下，感应电偶极矩P与入射光场E之间呈现线性关系。 瑞利散射 斯托克斯拉曼线 反斯托克斯拉曼线

半经典理论解释 频率为ν0的入射单色光→能量为hν0的光子 分子能量状态发生了跃迁→拉曼散射光产生 初态能级低于末态能级→斯托克斯拉曼散射 初态能级高于末态能级→反斯托克斯拉曼散射 较高能级上的分子数低于低能级上的分子数 反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。 瑞利散射 斯托克斯散射 反斯托克斯散射

拉曼散射的退偏度 ●液态样品分子的取向是无规则分布的 ●散射光的“退偏”：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，由在简正坐标系中分子极化率的一阶偏导决定。 分子振动的类型与其相应的振动模式 ●退偏度（定量描述散射光相对入射光偏振态的改变） 定义：偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比= ↓

技术优势 1.谱峰技术比较强大，在谱带中参与的叠状相对较少，适合数据库的储存，如果其中出现差异可以定量进行研究。 2.对样品本身的状态并没有太多的要求，不论是固体或者液体都能进行测量，这样测量的样品都不需要经过处理，直接可以通过拉曼激光容器进行信号样品的产生，这样可以减少不同信号的干扰和检验。 3.通过显微拉曼技术使得拉曼激光进一步的升级，在对小样本进行测量时也会有好的效果。 汽油和柴油 分析 分辨细胞的 浓度和结构 应用领域 超导体以及 固体材料分析 食品检测

03 实验仪器与具体步骤 难点主要在于光路的调节

实验仪器 港东科技LRS-III型激光拉曼仪 内光路系统 激光拉曼仪的总体结构

实验步骤 一、准备样品 用滴管将四氯化碳、甲醇、乙醇分别注入到药品匙，然后将药品匙放置在样品架上。 二、打开激光器电源 三、调整外光路 1.观察：（放入药品匙之前） 调节激光束方向 2.聚光部件的调整：调整样品管方向 3.集光部件的调整：有效收集拉曼光（如下图） 单色仪入缝 物镜组 样品 物镜2

调节好外光路，是获得拉曼光谱的关键 外光路系统示意图 两个问题： 激光束是否与底板垂直？ 激光束是否位于样品管的中心？ 单色仪 激光器 R M2 S C2 P2 C1 P1 凹面镜 聚光透镜 聚光透镜 反射镜 外光路系统示意图 两个问题： 激光束是否与底板垂直？ 激光束是否位于样品管的中心？

04 实验结果分析及数据处理

CCL4的光谱测量和退偏度计算 A1非简并振动 E1二重简并振动 T1三重简并振动 T2三重简并振动 Cl原子沿各自与C的连线同时向内或向外运动。 E1二重简并振动 Cl原子沿垂直于各自与C原子连线的方向运动，两个Cl在它们与C形成的平面内或垂直于上述平面运动。 T1三重简并振动 C原子平行于正方体的一边运动，四个Cl原子运动方向平行，分子重心不变。 T2三重简并振动 两个Cl沿立方体一面的对角线作伸缩运动，另两个在对面做位相相反的运动。

CCl4拉曼光谱 瑞利散射峰很强，出现在532.0nm处。 斯托克斯峰和反斯托克斯峰较为明显，反斯托克斯线明显小于斯托克斯线。 T1振动对应的斯托克斯线出现了分裂。

偏振的CCL4拉曼光谱 A1峰几乎消失，其余特征峰强度明显减小。

CCl4拉曼光谱 各特征峰的位置与理论值基本吻合，误差在0.1%之内。 利用公式 求出退偏度。

退偏度普遍误差较大，可能的原因是未除去底噪。 E1 T1 T2 理论退偏度 0.75 退偏度 0.70 0.72 0.66 0.62 0.64 偏差/% 6.7 4.0 12 17.3 14.7 12.0 表1 未去除底噪前的退偏度及偏差 E1 T2 理论退偏度 0.75 退偏度 0.72 0.68 0.74 偏差/% 4.00 9.33 9.3 1.3 退偏度普遍误差较大，可能的原因是未除去底噪。 去除底噪之后偏差明显减小。 表2 去除底噪后的退偏度及偏差

甲醇拉曼光谱 1032 cm-1是CO伸缩； 1457 cm-1是CH3反对称形变； 2833 cm-1是对称CH3伸缩； X: 1032, Y: 481.4 X: 1457, Y: 385.3 X: 2947, Y: 326.0 X: 2833, Y: 305.5

乙醇拉曼光谱 波数/cm-1 计数 乙醇的拉曼光谱有九个特征峰，但分辨率较低。

峰1：890.9cm-1为对称CCO骨架伸缩； 峰2：1069.6 cm-1是CO伸缩； 峰3：1085.3 cm-1是CCO骨架剪式摇摆； 强度 890.9 327.5 1069.6 230.5 1085.3 213.0 1296.1 110.1 1460.0 299.3 2896.2 265.5 2926.5 335.0 2956.7 307.1 峰1：890.9cm-1为对称CCO骨架伸缩； 峰2：1069.6 cm-1是CO伸缩； 峰3：1085.3 cm-1是CCO骨架剪式摇摆； 峰4：1296.1 cm-1为乙醇分子CH2形变； 峰5：1460.0 cm-1是CH3反对称形变； 峰6：2896.2 cm-1为对称CH3伸缩； 峰7：2926.5 cm-1为非对称CH2伸缩； 峰8：2956.7 cm-1为非对称CH3伸缩。

05 误差分析与改进建议

误差分析 光谱仪对不同偏振的效率不同，导致退偏度的测算有误差。 仪器本身会吸光和反射。 本底噪声对退偏度会产生影响。人为消除本底也会有计算上的误差。 人为调节光路会产生误差，使得结果不准确。 更换样品时掺有杂液，增加底噪。

改进建议 光路的应多次调节以得到最优结果。 在测量CCl4拉曼光谱之前先测量一次本底噪声，以便后续去本底，获得更精确的退偏度。

结论 本实验利用拉曼光谱仪探测了532nm的激光照射在CCl4上所散射的拉曼光谱，研究了（反）斯托克斯谱线的退偏性，认为实验所得出的结果与理论值大体相符。 除此之外，本实验还测量了甲醇和乙醇的拉曼光谱，观测了它们的特征峰。通过这个实验，我们对拉曼光谱的原理及光谱仪的应用有了很深的了解。

参考文献 [1]王风丽.拉曼光谱退偏度实验数据处理方法改进[J]. 2017 年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会. [3]姜承志.拉曼光谱数据处理与定性分析技术研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）, 2014.

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