物理实验实验报告

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1、物理仿真实验一曼光谱一、实验目的：1. 拍摄拉曼光谱并观察；2. 学会推测出分子拉曼光谱的基本概貌，如谱线数目、大致位置、偏振性质和它 们的相对强度；3. 从实验上确切知道谱线的数目和每条线的波数、强度及其应对应的振动方式。4. 以上两个方面工作的结合和对比，利用拉曼光谱获得有关分子的结构和对称性 的信息。二、实验原理（1）拉曼效应和拉曼光谱：当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除 有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）夕卜，还有比激发光波长长的和短的 成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激 发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉

2、曼散射合起 来所形成的光谱称为拉曼光谱。（2）拉曼光谱基本原理：设散射物分子原来处于基电子态，振动能级如下图所 示。V cT-at-e当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起的极化可以看作为虚的吸收， 表述为电子跃迁到虚态，虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。 设仍回到初始的电子态，则有如图所示的三种情况。因而散射光中既有与入射光 频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉 曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率 大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移，因此拉曼位移是分子振动能级的直

3、接量 度。下图给出的是一个拉曼光谱的示意图。Rayleigh StokesAnti-Stokes(3) 拉曼效应的经典电磁解释：如分子，在激发光的交变场作用下发生感生极 化，也就是正负电中心从相合变为相离，成为电偶极子。这感生电偶极子是随激 发场而交变的，因此它也就是成了辐射体。简单的与激光同步的发射，就成为瑞 利散射。然而分子本身有振动和转动，各有其特种频率。这些频率比激发光的频 率低一两个数量级或更多些，于是激发光的每一周期所遇的分子振动和转动相位 不同，相应的极化率也不同。(4) 当光入射到样品上时的三种情况：1. 光子同样品分子发生了弹性碰撞，没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，此

4、时散射光频率=入射光频率:hvk=hv1；2. 如频率为v的入射光子被样品吸收，样品分子被激发到能量为hv的振动能级L = 1上，同时发生频率为v=v-v的斯托克斯散射；Ls 1 L3. 如果分子处于振动能级为L = 1的激发态，入射光子吸收了这一振动能级的的 能量就会发生频率为v =v-v的反斯托克斯散射。as 1 L(5) 拉曼光谱在外观上有三个明显的特征:1 对同一样品，同一拉曼线的波数差与入射光波长无关；2其次在以波数为变量的拉曼光谱图上，如果以入射光波数为中心点，则斯托 克斯线和反斯托克斯线对称地分裂在入射光的两边；3 斯托克斯的强度一般都大于反斯托克斯线的强度。拉曼光谱的上述特点是

5、散 射体内部结构和运动状态的反映，也是拉曼散射固有机制的体现。(6) 拉曼光谱的退偏度在拉曼散射中，当电磁波与某一系统相互作用时，该系统的偏振态经常发生 变化，这种现象称为退偏。退偏度反映了分子振动的对称情况；退偏度的定义如 下所述：由于拉曼散射光的偏振状态取决于入射光的偏振状态、散射系统的取向 和观察方向，所以先要定义一个参考平面，通常取入射光传播方向和观测方向组 成的平面，称为散射平面。:P (9)二当入射光为平面偏振光，且偏振方向垂直于散射平面，而观测方向在散射平 面内与入射光传播方向成 角时，定义退偏度为- 7 ；当入射光偏振方向平行 于散射平面时，定义退偏度为，具体形式为：一顷其中，

6、光强:左上标表示入射光的电矢量与散射平面的关系，的右下标表示 散射光的电矢量与散射平面的关系。图1 入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振的情况例如，入射光沿z轴入射，沿x轴方向偏振时，散射平面为y-z平面，沿y 轴观察时，如图1所示，其退偏度为当入射光沿y轴方向偏振时，散射光的退偏度为:当入射光为自然光时，有:顷）顷）可以证明，对于入射光为线偏光的情况，有:心=二-4漏,+4尸(5.1)(5.2)对于自然光，则有:其中，T称为平均极化率，是“平均”极化率的度量；,称为各向异性率， 是极化率各向异性率的度量。它们是研究分子振动对称性的重要参数。2.2 CCl4退偏度的理论计算2.2.1实验样品二的谱

7、图分析二、分子由一个碳原子和四个氯原子组成，四个氯原子位于正四面体的四个 顶点，碳原子在正四面体的中心。而N个原子构成的分子，当N3时，有（3N-6）个内部振动自由度，因此二二 分子具有9个简正振动方式。每类振动所具有的振动方式数目对应于量子力学中能级简并的重数，所以如果某一类震动有g个振动方式，就称为该类振动是g重 简并的。根据以上讨论的拉曼光谱基本原理，可以推测出分子拉曼光谱的基本概貌， 如谱线数目、大致位置、偏振性质和它们的相对强度；可以从实验上确切知道谱 线的数目和每条线的波数、强度及其应对应的振动方式(为此有时需辅以红外光 谱等手段)。以上两个方面工作的结合和对比，就可以利用拉曼光谱

8、获得有关分 子的结构和对称性的信息。2.2.2 CCl4的分子结构及振动模式CCl4分子为四面体结构，一个碳原子在中心，四个氯原子在四面体的四个顶 点，共有9种简正振动方式，根据分子对称性的结构，这9种简正振动可以归成 下列A1，E,T1,T2四类振动方式，在同一类中，各振动方式具有相同的能量，因 而它们是简并的，A1，E,T1,T2的振动方式分别为：1) A1. 4个：原子沿各自与c的连线同时向外或向内运动(呼吸式)。2) E, 4个:二沿垂直于各自与c的连线的方向运动并保持重心不变，两重简并。3) T1. C原子平行于正方形的一边运动，4个:二原子同时平行于该边反向运动。 分子重心保持不变

9、，三重简并4) T2. 2个二原子沿立方体一面的对角线做伸缩运动，另两个在对面做位相相 反的运动，也是三重简并。不考虑耦合引起的微扰，上述、四种振动方式对应于拉曼光谱的四种不同 的散射波数或频率差，也即每种对应一条斯托克斯线和一条反斯托克斯线。除了 A1模式是对称的之外，其他三种模式都是反对称的。2.2.3也L退偏度的理论计算在电磁辐射的经典理论中，一个圆频率为,的振荡电偶极矩，不论是物质固 有的或由外场感生的，都能辐射频率为.的电磁波3。在拉曼散射中，一个频率 为的光入射到一个分子上时，可以感应产生电偶极矩，在一级近似下，所产 生的电偶极矩，三与入射光波电场三的关系为：二二(7)其中，为极化

10、率张量，上为分子的振动频率。它与分子的结构和取向有关，可以证明它是对称张量3。对同一个体系，选取不同的坐标系，极化率张量的各分量也会发生改变，但 有两个极化率张量分量的组合量为不变量，分别是：石=!也+】(9)+(-必3 +(-：)+或 4+；+W)-(10)T,就是(2.1.2),(2.1.3)中的平均极化率和各项异性率。现计算CCl4 个振动模式对应的平均极化率T和各向异性率Y。对于振动模式T1,有:由于CCl4分子和振动模式的对称性，绕z轴(设振动平面平行于z轴)转动 180度后，极化率张量不变，振动方式反向，所以对于P和E，有楫弓pJTe 4 Y)(耳冬时TI耳冬四 ，(12)由于E为

11、任取的，所以可得到:因此 -，-，(13)= ：源职2)=?同理，对于振动模式E、T2，-，对于对称振动 A1，由于分子对称性和振动对称性是一致的，因此有二.=:=七-=二=二：=-二二”：二七二-，从而二 I,：二：，综上所述，：二在几种特殊情况下退偏度的理论结果列表如下:振动模 式户_1四2)P饥度)A1010E/T1/T23/416/7三、实验仪器:仪器：激光拉曼/荧光光谱仪（单色仪，激光光源，外光路系统及样品装置， 聚光部件，分光系统，探测系统等）成枇1四、实验内容：1.获取CCL4分子的振动拉曼光谱、振动拉曼偏振光谱。调节拉曼光谱仪的外光路，注意两个要点：a.观察到瑞利光的成象清晰，

12、 并进入摄谱仪的入射狭缝；b.调整聚光部件，使汇聚光的腰部正好位于样品管 中心，从各个方面观察，激光束都应通过样品的中心。2. 拟定实验方案拍摄四氯化碳样品，并以激光光源的瑞利线校正摄谱仪的读 数，精确标出各谱峰位置，求出各相应的拉曼位移。（用cm-i表示）的拉曼光 谱，分析其异同点及其原因。3. 入射光为线偏振光的退偏度测量利用实验室提供的偏振片、1/2波片等研究CCL4（四氯化碳）拉曼光谱的退 偏度特性，并于理论值比较。（1）调节好拉曼光谱仪和各项参数，使得入射狭缝的光强最强，并且噪声 较小。（2）将偏振片P1放置到相应位置，调节角度为0度，使入射光经起偏后对 于散射面为垂直偏振光。放置1

13、/2波片，令1/2波片的快轴指向同偏振方向平行。 虽然1/2在线偏光测量时并无作用，但这样做可以保证下面在进行自然光测量的 时候，实验条件不改变从而保证两次结果叠加的可靠性。（3）将P2放置到相应位置，调节角度为0度，使散射光对于散射面为平行 偏振，启动软件进行一次500560nm的单程测量。（4）将P2角度调整为90度，使散射光对于散射面为垂直偏振，再进行次相同范围的测量。（5）将调整P2前后得到的图像和峰值数据整合到一起进行比较，利用公式 算出各峰的Po五、实验结果CCL4的拉曼光谱:从图中可以看出正斯托克斯和反斯托克斯线各有三条。且对应的波数差相差不 大。CCL4的退偏度:特征峰波长/n

14、m523.0525.9538.2541.3545.3IL(n/2)754.8982.51829.01789.8162.2I：(n/2)919.91333.12462.72466.36234.8P(n/2)0.8210.7370.7430.7260.026误差分析：P（n/2）的理论值为0.75，实验测得的数据与理论相接近，误差较 小。本次实验为仿真实验，因此从理论上来讲没有系统误差，不过实际操作时会 因入射、出射狭缝，孔径角的匹配，激发波长的而导致误差。六、思考题:1.在拉曼光谱实验中为了得到高质量的谱图，除了选用性能优异的光谱仪外， 正确的使用光谱仪，控制和提高仪器的分辨率和信噪比是很重要的

15、.提高仪器的 分辨率和信噪比的主要因素是什么？实验中如何实现和鉴别？控制仪器分辨率的主要因素：（1）入射、出射狭缝：随着狭缝宽度加大，分 辨率线性下降，使谱线展宽。（2）孔径角的匹配：由于分辨率是光栅宽度的线 性函数，如果收集光系统不能照明整个光栅，则仪器分辨率将会下降。提高仪器信噪比的主要因素：（1）激发功率提高激发光强度或增加缝宽能够 提高信噪比；（2）激发波长。一般用长波长的激光谱线作为激发光，对获得高 质量的谱图有利。2.研究单光子计数器的作用，实验中如何选取脉冲幅度甄别器的甄别电平（阈 值）。选取脉冲幅度甄别器的甄别电平（阈值）要满足:把幅度低于甄别电平的脉冲抑制掉。只 让幅度高于甄别电平的脉冲通过以来实现单光子计数。