2008年第2期 物理通报 实验教学研究 实验款 激光拉曼光谱实验教学 方进究 关小平 燕山大学理学院实验中心河北秦皇岛06004) 1引言 ( Rayleigh)散射、布里渊( Brillouin)散射.大部分媒 质的拉曼散射强度约为入射光强的106和瑞利散 光照射介质时除被介质吸收、反射和透射外,射光强的103.因而设计拉曼光谱仪时,除了应考虑 总有一部分被散射1928年,印度科学家拉曼的光谱仪的一般要求外,特别重视增强入射至样品 ( Raman)在液态苯中观察到光照射媒质时,散射光的光功率,和提高拉曼散射光对一切非拉曼散射光 频率与入射光频率存在大于3×10Hz的频移1,这的相对强度 类散射称为拉曼散射,其频移量多数在10-103 激光拉曼光谱实验的原理和技术比较复杂难 cm1之间,这是因为拉曼散射是由于分子振动能态懂,要求学生在课前参照实验教材和参考书做充分 间的跃迁造成的,这种跃迁相应的能量大都在的预习,尤其对计算机软件操作系统要做到熟练掌 102~103cm1之间(2).但是光照射媒质时,散射光握学生在实验中,2人一组,共同操作 按频率分为三类:除拉曼散射外,还有瑞利 心心 是应用基于MST软件的数字白板系统创设一种有论证,由数字白板系统展示各组的推理、分析、论证 利于学生发现问题、科学探究、解决问题的氛围教过程与结论 学中通过师生间生生间的交流、各抒己见、平等、公 (5)在教师的引导下对各组结果进行评价、检 正地进行讨论,发表彼此对问题的认识观点看法,验,得出公式U1:U2=n1:n2 阐明各种观点、看法的原因和理由,验证各自不同的 这样学生通过探究获得概念、规律比教师在黑 观点和看法,从不同的方面、不同的思维方式,探求板上讲理论的效果要好得多,学生在获得知识的同 多种解决物理问题的途径,让学生在探究的氛围中时领悟了科学探究的方法即发现问题、猜想假设 自主发现问题,探究物理的概念和规律 推理分析、论证交流与合作等,以培养科学探究的 能力与方法密切相关,在物理教学中教师可以能 利用基于MST软件的数字白板系统帮助学生掌握 基于MST软件的数字白板系统在物理教学中 科学探究的方法,培养学生的科学探究能力例如在还有更广泛的应用例如构建物理模型,建立教学资 讲解变压器的输出电压与哪些因素有关时,可以以源库,及时全面地得到有效的反馈信息等等只要我 实验为载体,以基于MST软件的数字白板系统为工们在教学中不断探索,就能应用数字白板系统解决 具,把变压器的输出电压与哪些因素有关的问题设许多物理教学中的实际问题从而全面提高物理教 计成如下富有探究性、可操作性的课题: 学的效果 (1)提出问题.由教师直接提问变压器的输出 参考文献 电压与哪些因素有关? 1张幸,殷继彬,等,基于手写笔的电子白板系统的研究与 (2)猜想与假设对学生进行分组,让其猜想 实现北京石汕化工学院学报,2005(2):9~12 讨论后通过数字白板系统将各组的猜想与假设的结 2丁兴富,蒋国珍.白板终将替代黑板成为课堂教学的主 流技术中国电化教育,2005(5):21-26 果由手写板共享到数字白板上 3林建祥关注课堂教学信息化的“动力”中国电化教育 (3)进行实验和记录实验数据 4)根据实验所得数据各小组进行推理、分析、 万方数据
2008年第2期 物理通报 实验教学研究 赛 1 引言 激光拉曼光谱实验教学 关小平 (燕山大学理学院实验中心 河北秦皇岛066004) 光照射介质时，除被介质吸收、反射和透射外， 总有一部分被散射．1928年，印度科学家拉曼 (Raman)在液态苯中观察到光照射媒质时，散射光 频率与入射光频率存在大于3 x 1010Hz的频移[¨，这 类散射称为拉曼散射，其频移量多数在103～103 cnl_1之间，这是因为拉曼散射是由于分子振动能态 间的跃迁造成的，这种跃迁相应的能量大都在 102。103 cmo之间【2|．但是光照射媒质时，散射光 按频率分为三类：除拉曼散射外，还有瑞利 (Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射．大部分媒 质的拉曼散射强度约为人射光强的10“和瑞利散 射光强的lO_。．因而设计拉曼光谱仪时，除了应考虑 的光谱仪的一般要求外，特别重视增强入射至样品 的光功率，和提高拉曼散射光对一切非拉曼散射光 的相对强度． 激光拉曼光谱实验的原理和技术比较复杂难 懂，要求学生在课前参照实验教材和参考书做充分 的预习，尤其对计算机软件操作系统要做到熟练掌 握．学生在实验中，2入一组，共同操作． 是应用基于MST软件的数字白板系统，创设一种有 利于学生发现问题、科学探究、解决问题的氛围，教 学中通过师生间、生生间的交流、各抒己见、平等、公 正地进行讨论，发表彼此对问题的认识、观点、看法， 阐明各种观点、看法的原因和理由，验证各自不同的 观点和看法，从不同的方面、不同的思维方式，探求 多种解决物理问题的途径，让学生在探究的氛围中 自主发现问题，探究物理的概念和规律． 能力与方法密切相关，在物理教学中教师可以 利用基于MST软件的数字白板系统帮助学生掌握 科学探究的方法，培养学生的科学探究能力．例如在 讲解变压器的输出电压与哪些因素有关时，可以以 实验为载体，以基于MST软件的数字白板系统为工 具，把变压器的输出电压与哪些因素有关的问题设 计成如下富有探究性、可操作性的课题： (1)提出问题．由教师直接提问变压器的输出 电压与哪些因素有关? (2)猜想与假设．对学生进行分组，让其猜想、 讨论后通过数字白板系统将各组的猜想与假设的结 果由手写板共享到数字白板上． (3)进行实验和记录实验数据． (4)根据实验所得数据各小组进行推理、分析、 论证，由数字白板系统展示各组的推理、分析、论证 过程与结论． (5)在教师的引导下对各组结果进行评价、检 验，得出公式Ul：U2=／Z1：／7,2． 这样学生通过探究获得概念、规律比教师在黑 板上讲理论的效果要好得多，学生在获得知识的同 时领悟了科学探究的方法，即发现问题、猜想、假设、 推理、分析、论证、交流与合作等，以培养科学探究的 能力． 基于MST软件的数字白板系统在物理教学中 还有更广泛的应用，例如构建物理模型，建立教学资 源库，及时全面地得到有效的反馈信息等等．只要我 们在教学中不断探索，就能应用数字白板系统解决 许多物理教学中的实际问题，从而全面提高物理教 学的效果． 。 参考文献 1 张幸，殷继彬，等．基于手写笔的电子自板系统的研究与 实现．北京石汕化工学院学报，2005(2)：9～12 2 丁兴富，蒋国珍．自板终将替代黑板成为课堂教学的主 流技术．中国电化教育，2005(5)：21～26 3 林建祥．关注课堂教学信息化的“动力”．中国电化教育， 2006(7～8)：1 —35— 万方数据
008年第2期 物理通报 实验教学研究 2实验原理 光,提高仪器的信噪比3.拉曼光谱仪一般由图2所 示的五个部分构成 某一样品的拉曼光谱如图1所示设v0是入射 (1)光源 光的波数,ν是散射光的波数,散射光与入射光的波 它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能 数差为Δν=ν-∽0.,那 拉曼散射谱,△y0的散射线称为紫伴线或反斯托克斯线(an-曼光谱实验常见的气体激光器基本上可以满足实 Stokes line).拉曼光谱在外观上有三个明显的特征:验的需要在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强 第,对同一样品同一拉曼线的波数差△υ与入射度稳定,这就要求激光器的输出功率稳定 斯托克斯线对称地分列在入射光的两边;第三,斯托振等邮盖 光波长无关;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 外光路部分包括聚光、集光、样品架,滤光和偏 克斯线的强度一般都大于反斯托克斯线的强度拉 (3)色散系统 色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开,通 曼光谱的上述特点是散射体内部结构和运动状态的 常使用单色仪 反映,也是拉曼散射固有机制的体现 (4)接收系统 拉曼散射信号的接收使用光电倍增管,这是 种单通道接收类 (5)信息处理与显示 为了提取拉曼散射信息,常用的电子学处理方 法是直流放大选频和光子计数然后用记录仪或计 算机接口软件画出图谱 △" 4实验内容 首先打开激光器电源,预热半小时左右取出 支液体样品管,用分析纯乙醇清洗内外壁,待挥发之 后,倒入分析纯四氯化碳样品将样品管固定在样品 图1拉曼光谱示意图 架上,再放入样品台上,调节样品台上的徵调螺钉, 3实验仪器 使聚焦后的激光束位于样品管的中心 调节样品台和聚光透镜的上下左右调节微调部 拉曼散射强度正比于入射光的强度,并且在产 件,使聚焦后的光束最细的部位位于集光镜和单色 生拉曼散射的同时,必然存在强度大于拉曼散射至仪的光轴上样品被照明部分通过集光镜,清晰地成 像于单色仪狭缝上.反复调节集光镜前后左右的位 外光路 色散系统 收系统 置,只要细致观察样品在狭缝上的像就能达到这 L[匮 目的调节偏振旋转器,使激光的振动极大值方向与 单色仪光轴方向一致,样品在狭缝上的像亮度最大 图2拉曼光谱仪的基本结构 将单色仪转到6519mm附近,入射狭缝开在250~ 少100倍的瑞利散射因此,在设计或组装拉曼光300μm.以后逐步调小至100~150m 谱仪和进行拉曼光谱实验时,必须同时考虑尽可能 开启高压电源,此时应有强拉曼谱线的峰,调节 增强入射光的光强和最大限度地收集散射光,又要集光镜架上的微调螺钉,使聚焦在单色仪入射狭缝 尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散的像对称分布 万方数据
2008年第2期 物理通报 实验教学研究 2实验原理 某一样品的拉曼光谱如图1所示．设v。是入射 光的波数，v是散射光的波数，散射光与入射光的波 数差为△v=v一咻那么，对于拉曼散射谱，△v0的散射线称为紫伴线或反斯托克斯线(anti— Stokes line)．拉曼光谱在外观上有三个明显的特征： 第一，对同一样品，同一拉曼线的波数差△v与入射 光波长无关；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列在入射光的两边；第三，斯托 克斯线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． 3 实验仪器 图l 拉曼光谱示意图 拉曼散射强度正比于入射光的强度，并且在产 生拉曼散射的同时，必然存在强度大于拉曼散射至 图2 拉曼光谱仪的基本结构 少1 000倍的瑞利散射．因此，在设计或组装拉曼光 谱仪和进行拉曼光谱实验时，必须同时考虑尽可能 增强入射光的光强和最大限度地收集散射光，又要 尽量地抑制和消除主要来自瑞利散射的背景杂散 一36一 光，提高仪器的信噪比[3|．拉曼光谱仪一般由图2所 示的五个部分构成． (1)光源 它的功能是提供单色性好、功率大并且最好能 多波长工作的入射光．目前拉曼光谱实验的光源已 全部用激光器代替历史上使用的汞灯．对常规的拉 曼光谱实验，常见的气体激光器基本上可以满足实 验的需要．在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强 度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定． (2)外光路 外光路部分包括聚光、集光、样品架，滤光和偏 振等部件． (3)色散系统 色散系统使拉曼散射光按波长在空问分开，通 常使用单色仪． (4)接收系统 拉曼散射信号的接收使用光电倍增管，这是一 种单通道接收类型． (5)信息处理与显示 为了提取拉曼散射信息，常用的电子学处理方 法是直流放大、选频和光子计数，然后用记录仪或计 算机接口软件画出图谱． 4 实验内容 首先打开激光器电源，预热半小时左右．取出1 支液体样品管，用分析纯乙醇清洗内外壁，待挥发之 后，倒人分析纯四氯化碳样品．将样品管固定在样品 架上，再放入样品台上，调节样品台上的微调螺钉， 使聚焦后的激光束位于样品管的中心． 调节样品台和聚光透镜的上下左右调节微调部 件，使聚焦后的光束最细的部位位于集光镜和单色 仪的光轴上．样品被照明部分通过集光镜，清晰地成 像于单色仪狭缝上．反复调节集光镜前后左右的位 置，只要细致观察样品在狭缝上的像就能达到这一 目的．调节偏振旋转器，使激光的振动极大值方向与 单色仪光轴方向一致，样品在狭缝上的像亮度最大． 将单色仪转到651．9 nm附近，入射狭缝开在250。 300 ttm。以后逐步调小至100。150 tLm． 开启高压电源，此时应有强拉曼谱线的峰，调节 集光镜架上的微调螺钉，使聚焦在单色仪入射狭缝 的像对称分布． 万方数据
08年第2期 物理通报 实验教学研究 打开计算机,进入计算机操作系统后,单击“测件参数都已输入后,点击“确定”按钮,便可进行测 量”按钮,弹出“测量条件输入”对话框输入适当的量图3是所记录下的拉曼散射图谱 条件参数后,点击“存盘”按钮进行保存.当所有条 回则N则回回因 操作者 入时波长 入射陕缝 〓 扫速/( 堂e,a/ 抽挥间隔 睡半高意/ma 图3CCL4的激光拉曼谱图 课后学生需写详细的实验报告,要求完整记录的主要特点及其与分子结构的联系.并能使学生养 包括瑞利线和斯托克斯线、反斯托克斯线的振动拉成良好的科学实验素养提高学生理论联系实际独 曼谱特别要标明狭缝的几何宽度和波长扫描范围;立分析和解决问题的能力,进一步培养学生的综合 在谱图上把波长标度换成波数差标度,在各谱线峰分析能力和科技创新意识 尖处标出其波数差值;比较各谱线实测的相对强度 参考文献 辨认各谱线对应的简谐振动类型 1赵凯华,钟锡华.光学(下册).北京:北京大学出版社 1984.254-257 5结束语 2褚圣麟.原子物理学北京:人民教育出版社,1979.62 拉曼光谱实验是近代物理实验中典型的实验, 它的理论性和技术性都很强通过该实验学生可体 吴思诚.近代物理实验(第二版).北京:北京大学出版 验拉曼光谱的基本实验技术和进一步认识拉曼光谱 社,1995.80~95 (上接第25页) 范,帮助建网 达到80分以上,然后通过自我纠正等形式,突破最 难题按程序分层突破,有利于体现新的课程理 后的疑难问题 念有利于学生对知识进行建构体现了师生互动、 8优化课堂,专题建网 生生互动有利于培优,也有利于补差,教师能够节 省大量的讲授时间,减轻了负担,学生之间也充分合 上述步骤是按照所列程序进行的,本程序进行作,可以做到“师生同益”,有利于提高复习备考的效 过程中,教师的任务是串讲专题,布置任务,引导规率和效果 万方数据
2008年第2期 物理通报 实验教学研究 打开计算机，进入计算机操作系统后，单击“测 量”按钮，弹出“测量条件输人”对话框．输人适当的 条件参数后，点击“存盘”按钮进行保存．当所有条 件参数都已输入后，点击“确定”按钮，便可进行测 量．图3是所记录下的拉曼散射图谱． 图3 cct,的激光拉曼谱图 课后学生需写详细的实验报告，要求完整记录 包括瑞利线和斯托克斯线、反斯托克斯线的振动拉 曼谱，特别要标明狭缝的几何宽度和波长扫描范围； 在谱图上把波长标度换成波数差标度，在各谱线峰 尖处标出其波数差值；比较各谱线实测的相对强度， 辨认各谱线对应的简谐振动类型． 5 结束语 拉曼光谱实验是近代物理实验中典型的实验， 它的理论性和技术性都很强．通过该实验学生可体 验拉曼光谱的基本实验技术和进一步认识拉曼光谱 的主要特点及其与分子结构的联系．并能使学生养 成良好的科学实验素养，提高学生理论联系实际、独 立分析和解决问题的能力，进一步培养学生的综合 分析能力和科技创新意识． 参考文献 1 赵凯华，钟锡华．光学(下册)．北京：北京大学出版社， 1984．254～257 2褚圣麟．原子物理学．北京：人民教育出版社，1979．62。 70 3 吴思诚．近代物理实验(第二版)．北京：北京大学出版 社．1995．80．95 (上接第25页) 达到80分以上，然后通过自我纠正等形式，突破最 后的疑难问题． 8 优化课堂。专题建网 上述步骤是按照所列程序进行的，本程序进行 过程中，教师的任务是串讲专题，布置任务，引导规 范，帮助建网． 难题按程序分层突破，有利于体现新的课程理 念，有利于学生对知识进行建构，体现了师生互动、 生生互动，有利于培优，也有利于补差，教师能够节 省大量的讲授肘阔，减轻了负担，学生之间也充分合 作，可以做到“师生同益”，有利于提高复习备考的效 率和效果． 一37～ 万方数据