1、大學物理仿真實驗實驗報告實驗名稱：喇曼光譜實驗 實驗日期：2013-12-01學號：2120302002 實驗人員：黃雨詩一、 實驗目的：1.拍攝喇曼光譜并觀察；2.學會推測出分子拉曼光譜的基本概貌，如譜線數目、大致位置、偏振性質和它們的相對強度；3.從實驗上確切知道譜線的數目和每條線的波數、強度及其應對應的振動方式（為此有時需輔以紅外光譜等手段）。4.以上兩個方面工作的結合和對比，利用拉曼光譜獲得有關分子的結構和對稱性的信息。二、實驗原理： （1）喇曼效應和喇曼光譜:當光照射到物質上時會發生非彈性散射，散射光中除有與激發光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發光波長長的和短的成分，后一

2、現象統稱為喇曼效應。由分子振動、固體中的光學聲子等元激發與激發光相互作用產生的非彈性散射稱為喇曼散射，一般把瑞利散射和喇曼散射合起來所形成的光譜稱為喇曼光譜（2）喇曼光譜基本原理: 設散射物分子原來處于基電子態，振動能級如下圖所示。當受到入射光照射時，激發光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態，虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。設仍回到初始的電子態，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為喇曼線。在喇曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的

3、譜線稱為反斯托克斯線。瑞利線與喇曼線的波數差稱為喇曼位移，因此喇曼位移是分子振動能級的直接量度。下圖給出的是一個喇曼光譜的示意圖。（3）喇曼效應的經典電磁解釋：如分子，在激發光的交變場作用下發生感生極化，也就是正負電中心從相合變為相離，成為電偶極子。這感生電偶極子是隨激發場而交變的，因此它也就是成了輻射體。簡單的與激光同步的發射，就成為瑞利散射。然而分子本身有振動和轉動，各有其特種頻率。這些頻率比激發光的頻率低一兩個數量級或更多些，于是激發光的每一周期所遇的分子振動和轉動相位不同，相應的極化率也不同。（4）當光入射到樣品上時的三種情況：1.光子同樣品分子發生了彈性碰撞，沒有能量交換，只是改變了

4、光子的運動方向，此時散射光頻率=入射光頻率: hwk = hw1；2.如頻率為w1的入射光子被樣品吸收，樣品分子被激發到能量為hwr的振動能級L = 1上，同時發生頻率為ws= w1 - wL的斯托克斯散射；3.如果分子處于振動能級為L = 1的激發態，入射光子吸收了這一振動能級的的能量就會發生頻率為was= w1 +wL的反斯托克斯散射。三、實驗儀器： 儀器：激光拉曼/熒光光譜儀（單色儀，激光光源，外光路系統及樣品裝置，聚光部件，分光系統，探測系統等） 儀器使用原理： 拉曼光譜實驗的光學原理圖： 四、實驗內容：1.選擇鼠標右鍵菜單的“打開激光器"開始調整光路；2.點擊單色儀狹縫,調

5、出窗口畫面模擬在入射狹縫處放一白紙觀察銳利光的現象,即綠色光亮條紋是否清晰.若清晰切進入狹縫就不要調整.若不正常,調整上圖所示綠色橢圓所圈的聚光凹面鏡旋鈕；3. 選擇鼠標右鍵菜單的“拍攝喇曼光譜"調出光譜拍攝界面。4、進行閾值分析,，選定閾值之后,關閉閾值分析界面,點擊"掃描光譜"按鈕,開始拍攝光譜。（1）閾值分析（2）光譜掃描（3）波形放大：峰值處：實驗樣品CCL4 的譜圖分析：以上實驗樣品為CCL4。CCL4分子由一個碳原子和四個氯原子組成，四個氯原子位于正四面體的四個頂點，碳原子在正四面體的中心。CCL4分子具有9個簡正振動方式，所以CCL4的哈曼光譜中有九

6、個峰值，如上圖。五、誤差分析：系統誤差：本次實驗為仿真實驗，因此從理論上來講沒有系統誤差，不過實際操作時會因入射、出射狹縫，孔徑角的匹配，激發波長的而導致誤差。 人為誤差：沒有調整好光譜儀等。六、思考題：1.在喇曼光譜實驗中為了得到高質量的譜圖,除了選用性能優異的光譜儀外,正確的使用光譜儀，控制和提高儀器的分辨率和信噪比是很重要的.提高儀器的分辨率和信噪比的主要因素是什么?實驗中如何實現和鑒別？控制儀器分辨率的主要因素：（1）入射、出射狹縫：隨著狹縫寬度加大，分辨率線性下降，使譜線展寬。（2）孔徑角的匹配：由于分辨率是光柵寬度的線性函數，如果收集光系統不能照明整個光柵，則儀器分辨率將會下降。提

7、高儀器信噪比的主要因素：（1）激發功率提高激發光強度或增加縫寬能夠提高信噪比；（2）激發波長。一般用長波長的激光譜線作為激發光，對獲得高質量的譜圖有利。2.研究單光子計數器的作用,實驗中如何選取脈沖幅度甄別器的甄別電平（閾值）。 選取脈沖幅度甄別器的甄別電平（閾值）要滿足：把幅度低于甄別電平的脈沖抑制掉。只讓幅度高于甄別電平的脈沖通過以來實現單光子計數。3.分析喇曼光譜的特點及其應用。特點： 1.對同一樣品，同一拉曼線的波數差與入射光波長無關；2.其次在以波數為變量的拉曼光譜圖上，如果以入射光波數為中心點，則斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分裂在入射光的兩邊；3.斯托克斯的強度一般都大于反斯托克斯線的強度。拉曼光譜的上述特點是散射體內部結構和運動狀態的反映，也是拉曼散射固有機制的體現。應用：1.利用喇曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學成分。2.外界條件的變化對分子結構和運動產生不同程度的影響，因此喇曼光譜的也常被用來研究物質的濃度，溫度和壓力等效應。3.喇曼光譜分析