实验所测样品中,尤其是在液态与气态的介质中,分子的取向是无规则分布的。正常的情况下,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,而且还可能变为非完全偏振的。这一现象称为散射光的“退偏”。散射光的退偏往往与分子结构和振动的对称性有关。拉曼散射光的偏振性完全取决于极化率张量。非对称振动的分子,极化率张量是一个椭球,会随着分子一起翻滚,振荡的诱导偶极矩也将不断地改变方向。
实验中使用半导体激光器泵浦的 : 晶体并倍频后得到的波长为532nm激光。样品是液态 分子,装在样品池中。光经透镜聚焦在样品池中心,成像透镜组对光进行收集。然后单色仪收集散射光,再使用光电倍增管和光子计数器吃力拉曼散射信号。
为了定量描述散射光相对入射光偏振态的改变,引入退偏度的概念。退偏度 即为偏振方向垂直和平行于入射光偏振方向的散射光强之比。
由理论分析可得,1号振动模式(振动频率相当于波数V=458/cm)的退偏度为0,其余三种振动模式的退偏度均为0.75。
(3)C原子平行于正方体的一边运动,四个CL原子同时平行于改变反向运动,分子重心保持不变,频率相当于波数V=776/cm,为三重简并(记为振动模式3)。
(4)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向反的运动,频率相当于波数V=314/cm,也是三重简并(记为振动模式4)。
碰撞如果是弹性的,如图(2a)则二者不交换能量,光子只改变运动方向而频率和能量都没改变,这就是瑞利散射。而发生非弹性碰撞时,如图(2b),光子和物质分子交换能量,可以看成是入射光子的湮灭和另一个不同能量散射光子的产生,与此同时,分子能量状态发生了跃迁,导致拉曼散射光产生。当初态能级 低于末态能级 时产生斯托克斯拉曼散射,出射光子频率为 ;而初态能级 高于末态能级 时产生反斯托克斯拉曼散射,出射光子频率为 。根据统计分布规律,较高能级上的分子数低于低能级上的分子数,所以拉曼散射中,反斯托克斯线比斯托克斯线强度要小。
不相邻的顶角上,如图1所示,中间的A原子即为碳原子。它共有九个振动自由度,一个任意的振动能分解成九种简正振动。
(1)四个CL原子沿各自与C的连线同时向内或向外运动(呼吸式),振动频率相当于波数V=458/cm(为了叙述方便,记为振动模式1)。
(2)四个Cl原子沿垂直于各自与C原子连线的方向运动并且保持重心不变,又分两种,在一种中,两个CL在它们与C形成的平面内运动;在另一种中,两个CL垂直于上述平面而运动,由于两种情形中力常数相同,振动频率是简并的,相当于波数V=218/cm(记为振动模式2)。
摘要:本实验研究了用半导体激光器泵浦的 : 晶体并倍频后得到的532nm激光作为激发光源照射液体样品的 分子而得到的拉曼光谱,谱线很好地吻合了理论分析的 分子4种振动模式,且频率的实验值与标准值比误差低于2%。又利用偏振片及半波片获得与入射光偏振方向垂直及平行的出射光,确定了各振动的退偏度,分别为0.013、0.853、0.869、0.940,和标准值0和0.75比较偏大。
由图中能够准确的看出一共有10个峰值,其中5号峰值,即强度最大的峰值对应的散射光即为瑞利散射。出去瑞利散射,剩下的9个峰值正好对应理论分析中的9种振动。由图中也可以明显地看出,瑞利散射左侧的反斯托克斯线的峰值高度要低于右侧的斯托克斯线。从图中读出各个峰值,计算各个散射线பைடு நூலகம்瑞利散射的频移,便能判断出液态 分子的各种振动模式。
由(2)不难发现, 表明将产生与入射光频率 相同的散射光,称之为瑞利散射光。 表明,散射光中还存在频率与入射光不同,大小为 的光辐射,即拉曼散射光。且拉曼散射光一共可以有对称的3N-6种频率,但产生与否取决于极化率张量各分量对简正坐标的偏微商是否全为零。
频率为 的单色光,可以看做是具有能量 的光子,而光的散射是由于入射光子和散射物分子发生碰撞后,改变传播方向而形成的。图2是光散射机制半经典解释的一个形象表述,图中 表示分子的两个振动能级,虚线表示的不是分子可能的状态,只是用以表示入射光子和散射光子的能量。
1928年,印度物理学家拉曼(C.V.Raman)和克利希南(K.S.Krisman)实验发现,当光穿过液体苯时被分子散射的光发生频率变化,此现状称为拉曼散射。几乎与此同时,苏联物理学家兰斯别而格(dsberg)和曼杰尔斯达姆(L.Mandelstamm)也在晶体石英样品中发现了类似现象。在散射光谱中,频率与入射光频率 相同的成分称为瑞利散射,频率对称分布在 两侧的谱线或谱带 即为拉曼光谱,其中频
对于振幅矢量为 ,角频率为 的入射光,分子受到该入射光电场作用时,将感应产生电偶极矩 ,一级近似下 ,。 是一个二阶张量(两个箭头表示张量),称为极化率张量,是简正坐标的函数。对于不同频率的简正坐标,分子的极化率将发生不同的变化,光的拉曼散射就是由于分子的极化率的变化引起的。根据泰勒定理将A在平衡位置展开,可得
实验中使用调节偏振片P1对光源进行起偏,使入射光成为平面偏振光,通过转动半波片P3改变偏振方向,这样做才能够实现对入射光和散射平面所成角度的控制。对于出射光,能够最终靠调节偏振片P2控制出射光与散射平面所成的角度,这样便可以对退偏度做测量。