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拉曼光谱-PPT(精)





吴大猷先生
1935年在北大完成了第一篇关于拉曼散射 的论文‘四氯乙烯拉曼线的退极化’(《中 国化学学会会志》第四卷) ,也是该领域国 内的第一篇论文。 1939年他在西南联大完成了专著《多原 子分子的振动谱和结构》,是自拉曼获诺 贝尔奖以来,第一部全面总结分子拉曼光 谱研究成果的经典著作。
黄昆先生
●另一种是分子处于激发态振动能级,与光子碰撞后,分子跃迁回基态而
将从确定的能量hν1传给光子。则散射光子的能量变为h(ν0+ν1)= hν, 频率增加至ν0+ν1。形成能量为h(ν0+ν1)、频率为ν0+ν1的谱线。
●两种情况,散射光子的频率发生变化了,减小或增加了,称为拉曼位移。
Stokes线与反Stokes线
水不能作为溶剂
不能用玻璃容器测定
需要研磨制成 KBR 压片
二、拉曼光谱的应用
applications of Raman spectroscopy
由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息:
1)同种分子的非极性键S-S,C=C,N=N,CC产生强拉曼
谱带, 随单键双键三键谱带强度增加。 2)红外光谱中,由C N,C=S,S-H伸缩振动产生的谱带一 般较弱或强度可变,而在拉曼光谱中则是强谱带。 3)环状化合物的对称振动常常是最强的拉曼谱带。
激光拉曼光谱基本原理
激发虚态
principle of Raman spectroscopy
h(0 - )
E1 + h0 Rayleigh散射: E0 + h0 弹性碰撞;无 能量交换,仅改变 h0 h0 h0 + 方向; h0 Raman散射: E1 V=1 非弹性碰撞; E0 V=0 方向改变且有能量 Rayleigh散射 Raman散射 h 交换; E0基态, E1振动激发态; E0 + h0 , E1 + h0 激发虚态;
拉曼散射效应的进展:

拉曼散射效应是印度物理学家拉曼(C.V.Raman)于1928年首次发 现的,本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。 1928~1940年,受到广泛的重视,曾是研究分子结构的主要手段。 这是因为可见光分光技术和照相感光技术已经发展起来的缘故; 1940~1960年,拉曼光谱的地位一落千丈。主要是因为拉曼效应太 弱(约为入射光强的10-6),并要求被测样品的体积必须足够大、 无色、无尘埃、无荧光等等。所以到40年代中期,红外技术的进步和 商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落; 1960年以后,激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的 高亮度、方向性和偏振性等优点,成为拉曼光谱的理想光源。随探测 技术的改进和对被测样品要求的降低,目前在物理、化学、医药、工 业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用,越来越受研究者的重视。
STOKES
E1 + h0 E2 + h0
h0
h(0 + ) h
ANTI-STOKES
Raman位移: Raman散射光与入射光 频率差; 0 -
Rayleigh
0
0 +
CCl4的拉曼光谱
Rayleigh scattering
Stocks lines
anti-Stockes lines
拉曼效应
拉曼效应为光子与样品中分子的非弹性碰撞,即光子与分子相互作用中 有能量的交换。 入射光子的能量为hν0,当与分子碰撞后,可能出现两种情况:
●第一种是分子处于基态振动能级,与光子碰撞后,分子从入射光子获取
确定的能量 hν1 达到较高的能级。则散射光子的能量变为 h ( ν0 - ν1 ) = hν,频率降低至ν0-ν1。形成能量为h(ν0-ν1)、频率为ν0-ν1的谱线。

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的谱带称为偏振谱带,表示分子有较高的 4 对称振动模式 。
3 的谱带称为退偏振谱带,表示分子对称振 4

3

动模式较低。
三、 仪器结构与原理
高压电源
凹面镜
样品 单色仪 光电倍增管
驱动电路 激 光 器
光子计数器
计算机
显示器
仪器组成

激光拉曼光谱仪的基本组成有激光光源,样品 室,单色器,检测记录系统和计算机五大部分。 拉曼光谱仪中最常用的是He~Ne气体激光器。
红外光谱与Raman光谱比较

② 不同之处:
a 红外光谱的入射光及检测光都是红外光,而拉曼光谱的入射光和散 射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程,拉曼光谱为散射光谱, 红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的(红外)光子被分 子吸收,因而红外光谱是吸收光谱。 b 机理不同:从分子结构性质变化的角度看,拉曼散射过程来源于分 子的诱导偶极矩,与分子极化率的变化相关。通常非极性分子及 基团的振动导致分子变形,引起极化率的变化,是拉曼活性的。 红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关,一般极性分子及基 团的振动引起永久偶极矩的变化,故通常是红外活性的。 c 制样技术不同:红外光谱制样复杂,拉曼光谱勿需制样,可直接测 试水溶液。
●将负拉曼位移, 即ν0-ν1称为Stokes线(斯托克斯线)。 ●将正拉曼位移, 即ν0+ν1称为反Stokes线(反斯托克斯线)。 正负拉曼位移线的跃迁几率是相等 的,但由于反斯托克斯线起源于受激振 动能级,处于这种能级的粒子数很少, 因此反斯托克斯线的强度小,而斯托克 斯线强度较大,在拉曼光谱分析中主要 应用的谱线。
1954年在英国出版与波恩合著的名著 《晶格动力学理论》,成为声子物理和拉 曼散射的经典理论著作。 1988建立起超晶格拉曼散射理论 2002年获国家科技奖。
增 大
拉 曼 减 散 小 射
λ

λ
样 品 池
λ
透过光λ不变 瑞 利 散 射
λ
不 变
激光拉曼光谱---基本原理
光的瑞利散射 一个频率为ν0的单色光,当它不能被照射的物体 吸收时,大部分光将沿入射光束通过样品,在约 1/105~1/106有强度的光被散射到各个方向。并 在与入射方向垂直的方向,可以观察到这种散射。 ●瑞利散射为光与样品分子间的弹性碰撞,光子的 能量或频率不变,只改变了光子运动的方向。 ●散射光的强度与散射方向有关,且与入射频率的 四次方成正比。


其输出激光波长为6328埃,功率在100mW以下。
样品的放置方法

为了提高散射强度,样品的放置方式非常重要。 气体的样品可采用内腔方式,即把样品放在激 光器的共振腔内。 液体和固体样品是放在激光器的外面。


激光Raman光谱仪
laser Raman spectroscopy
激光光源:He-Ne激光器,波长632.8nm; Ar激光器, 波长514.5nm, 488.0nm; 散射强度1/4 单色器: 光栅,多单色器; 检测器: 光电倍增管, 光子计数器;
振-转能级的特征物理量;定性与结构分析的依据;
Raman 散射的产生:光电场 E 中,分子产生诱导 偶极距 = E
( 分子极化率)
3.红外活性和拉曼活性振动
①红外活性振动 ⅰ永久偶极矩;极性基团; ⅱ瞬间偶极矩;非对称分子; 红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.
②拉曼活性振动
laser Raman spectroscopy
一、 拉曼光谱基本原理 principle of Raman spectroscopy 二、拉曼光谱的应用 applications of Raman spectroscopy 三、 激光拉曼光谱仪 laser Raman spectroscopy
第四章 激光拉曼光谱
傅立叶变换-拉曼光谱仪
FT-Raman spectroscopy 光源:Nd-YAG钇铝石榴石激光器(1.064m); 检测器:高灵敏度的铟镓砷探头;
2941,2927cm-1 ASCH2 2854cm-1 SCH2
1444,1267 cm-1 CH2 1029cm-1 (C-C)
3060cm-1
r-H)
1000cm-1
c-o-c
1600,1587cm-1 c=c)苯环
787 cm-1 环变形


多数的吸收光谱中,只具有二个基本参数(频率 和强度) ; 在激光拉曼光谱中还有一个重要的参数即退偏振 比(也可称为去偏振度)。
红外光谱与Raman光谱比较
③ 两者间的联系 可用经验规则来判断分子的红外或拉曼活性: a 相互排斥规则:凡有对称中心的分子,若有拉 曼活性,则红外是非活性的;若红外活性,则 拉曼非活性。 b 相互允许规则:凡无对称中心的分子,大多数 的分子,红外和拉曼都活性。 c 相互禁止规则:少数分子的振动,既非拉曼活 性,又非红外活性。 如:乙烯分子的扭曲振动,在红外和拉曼光谱 中均观察不到该振动的谱带。
SiO44-的理论振动自由 度为15-6=9个基本振 动数,但实际上由于能 级的简并只有4个振动, 其中2个红外活性的,4 个都是拉曼活性的,可 见在红外光谱中检测不 到的谱线,可以在拉曼 光谱中得到。
红外光谱与Raman光谱比较
红外光谱与拉曼光谱互称为姊妹谱。因此, 可以相互补充。 ① 相似之处: 激光拉曼光谱与红外光谱一样,都能提供 分子振动频率的信息,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。
互不相容曼非活性
拉曼活性的振动模,红外非振动 红外+拉曼→全部振动谱
一般有: 同核双原子分子: 非极性晶体: 异核双原子分子: 极性晶体:
红外非活性 拉曼活性 红外非活性 拉曼活性 红外活性 拉曼非活性 红外活性 拉曼具体分析
SiO44-的振动光谱
红外光谱—源于偶极矩变化
拉曼光谱—源于极化率变化
对称中心分子CO2,CS2等, 选律不相容。 无对称中心分子(例如SO2等),三种振动既是红外活 性振动,又是拉曼活性振动。
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