简要介绍一下拉曼散射理论。
1.1。
拉曼效应和正常
拉曼散射。
当光从分子散射时,大多数光子DAN性散射。 散射的光子具有与入射光子相同的能量(频率),因此具有相同的波长。 然而,一小部分光(约10 个光子中约为1个)在与入射光子的频率不同且通常低于其频率的光频率下散射。 导致这种非弹性散射的过程被称为拉曼效应。拉曼散射可以随着分子的振动,旋转或电子能量的变化而发生。 化学家主要关注振动拉曼效应,因此在本教程中,我们使用术语拉曼效应仅表示振动拉曼效应。
入射光子与拉曼散射光子之间的能量差异等于散射分子振动的能量。 散射光与能量差的强度曲线是拉曼光谱。
1.1.1。 散射过程
当光束撞击分子时,光子被材料吸收并分散。 绝大多数这些散射的光子具有与入射光子完全相同的波长,被称为瑞利散射 。 在散射过程中,入射光子激发电子进入更高的“虚拟”能级(或虚拟状态 ),然后电子衰减回较低的水平,发射散射光子。 在瑞利散射中,电子衰减到与其起始的相同水平,因此瑞利散射通常被称为弹性散射的形式。
当光子入射到分子上并与分子的电偶极子相互作用时,产生拉曼效应。 它是一种电子(更精确的,振动)光谱的形式,尽管光谱包含振动频率。 在经典术语中,相互作用可以看作是分子电场的扰动。 在量子力学术语中,散射可以被描述为对能量较低的虚拟状态的激励,而不是具有几乎一致的去激励和振动能量变化的真实电子跃迁。 散射的虚拟状态描述如图1.1a所示。 在拉曼效应中,在散射过程中激发的电子衰减到与其开始时相同的水平,称为非弹性散射。
图1.1。 拉曼散射能级图; (a)斯托克斯拉曼散射(b)反斯托克斯拉曼散射。
入射光和散射光子之间的能量差由图1.1a中不同长度的箭头表示。 在数值上,初始和最终振动水平之间的能量差异, ,或波数(cm-1)中的拉曼位移通过等式1计算,其中l个入射和l个散射分别是入射和拉曼散射光子的波长(cm)。
振动能最终作为热量消散。 由于拉曼散射的强度低,所以散热不会导致材料中可测量的温度升高。
在室温下,振动激发态的热群很少,尽管不是零。 因此,初始状态是基态,并且散射光子将具有比激发光子更低的能量(更长的波长)。 这种斯托克斯偏移散射是通常在拉曼光谱中观察到的。 图1.1a描绘了拉曼斯托克斯散射。
分子的一小部分处于振动激发态。 来自振动激发分子的拉曼散射使分子处于基态。 散射光子出现在较高的能量下,如图1.1b所示。 在室温下,反斯托克斯移动的
拉曼光谱总是比斯托克斯移动的光谱弱,并且由于斯托克斯和反斯托克斯光谱包含相同的频率信息,大多数拉曼实验仅观察斯托克斯偏移散射。