复旦大学：《谱学导论》课程PPT教学课件（下）分子光谱基础（拉曼光谱）

@拉曼光谱 15拉曼光谱 拉曼( Raman),印 度物理学家。1921年 开始研究并在1928年 发现了光散射的拉曼 效应,1930年获得了 诺贝尔物理奖。和汤 川秀树(日)一起成 为仅有的两位没有受 过西方教育的诺贝尔 科学奖得主。为表彰 拉曼对印度科学进步 所作的巨大贡献,印 条“ 度政府将2月28日定为 拉曼节

拉曼（Raman），印 度物理学家。1921年 开始研究并在1928年 发现了光散射的拉曼 效应，1930年获得了 诺贝尔物理奖。和汤 川秀树（日）一起成 为仅有的两位没有受 过西方教育的诺贝尔 科学奖得主。为表彰 拉曼对印度科学进步 所作的巨大贡献，印 度政府将2月28日定为 “拉曼节”。 1.5 拉曼光谱

@拉曼光谱 151拉曼散射效应 弹性碰撞 散射=V入射 Y散射V入射反斯托克斯( Anti-Stokes)线 和吸收光谱的差异吸收光谱中光子的能量必须等于分子的 某两个能级之间的能量差,而拉曼光谱中入射光子的频率 和分子跃迁所涉及的能量差之间并没有确定的关系。拉曼 光谱是通过测定散射光相对于入射光频率的变化来获取分 子内部结构信息

1.5.1拉曼散射效应 弹性碰撞  散射 = 入射 非弹性碰撞  散射  入射 散射  入射  散射  入射 斯托克斯（Stokes）线 反斯托克斯（Anti-Stokes）线 和吸收光谱的差异:吸收光谱中光子的能量必须等于分子的 某两个能级之间的能量差，而拉曼光谱中入射光子的频率 和分子跃迁所涉及的能量差之间并没有确定的关系。拉曼 光谱是通过测定散射光相对于入射光频率的变化来获取分 子内部结构信息

@拉曼光谱 5.2拉曼光谱选律及其与红外光谱的互补性 拉曼光谱是一个吸收发射的 双光子过程,它的选律取决于 分子运动方向上极化率(可看 成是偶极矩的平方)的改变, v1(1388cm) 即取决于矩阵元 v3(2349cm) (a=-∫wawd 是坐标的二元积函数 拉曼光谱和红外光谱有互补性 (c

1.5.2拉曼光谱选律及其与红外光谱的互补性 拉曼光谱是一个吸收—发射的 双光子过程，它的选律取决于 分子运动方向上极化率（可看 成是偶极矩的平方）的改变， 即取决于矩阵元 ( )   =    d ij i j *  是坐标的二元积函数 拉曼光谱和红外光谱有互补性 + u u + g

@拉曼光谱 153转动拉曼光谱 无论同核还是异核双原子分子,都有转动拉曼光谱。转动 能级(谱项) F()=BJ(+1 转动拉曼光谱选律 Δ/=2园=%+4B(J+3/2)0支 △J=0,±2 Q支 △J=2区=-4B(+3/2s支 统一公式 △v=±4B(J+3/2) 小拉曼位移 2200 Avem

1.5.3转动拉曼光谱 无论同核还是异核双原子分子，都有转动拉曼光谱。转动 能级（谱项） F(J ) = BJ(J +1) 转动拉曼光谱选律 J = 0,2 J = 0 J = −2 J = 2 0 ~ ~  Q = 4 ( 3/ 2) ~ ~  O = 0 + B J + 4 ( 3/ 2) ~ ~  S = 0 − B J + Q支 O支 S支 统一公式 4 ( 3 / 2) ~  =  B J + 小拉曼位移

@拉曼光谱 15.4振动拉曼光谱 振动时的极化率变化 a=a+B(-6 振动能级(谱项) G(v)=(y+1/2)-(v+1/2)2xo 简谐振子 △v=± 选律 非简谐振子 △v=±1,+2,+3, 0→1频率位移△v=(1-2x 大拉曼位移

1.5.4 振动拉曼光谱 振动时的极化率变化 ( ) 0 0  = +  r − r 振动能级（谱项）   ~ (v 1/ 2) ~ (v) (v 1/ 2) 2 G = + − + 选律 简谐振子 非简谐振子 v = 1 v = 1,2,3,  0 →1 频率位移    ~ (1 2 ) ~  = − 大拉曼位移

@拉曼光谱 振动拉曼光谱的精细结构 跃迁选律 △V=±1 △J=0,±2 △vo=(1-2x)0-4B(J+3/2 O支 Ava=(1-2x) Q支假设B是 凶/=2A=(1-2)+4B+312s支 统一公式 么v=(1-2)0±4B(J+3/2 振转红外光谱的一个重要差别:振转红外光谱没有Q支 而振转拉曼光谱却有Q支,且Q支最强

振动拉曼光谱的精细结构 跃迁选律 v = 1 J = 0,  2 J = 0 J = −2 J = 2    ~ (1 2 ) ~  Q = − 4 ( 3/ 2) ~ (1 2 ) ~  O = −   − B J + 4 ( 3/ 2) ~ (1 2 ) ~  S = −   + B J + O支 Q支 S支 统一公式 4 ( 3/ 2) ~ (1 2 ) ~  = −    B J + 振转红外光谱的一个重要差别：振转红外光谱没有Q支， 而振转拉曼光谱却有Q支，且Q支最强。 假设B是 不变的

@护曼光谱 3-Q2-Q y=3←w"=D =2 又-0 0…Q -4 Absorbance Sntemacear distance

@拉曼光谱 155共振拉曼光谱 Scattered Resonant scattered radiation radation Incident Incident radiation radiation a普通拉曼 b)共振拉曼

1.5.5 共振拉曼光谱 普通拉曼 共振拉曼

@拉曼光谱 拉曼过程可以看成是一个双光子过程 (a)via, dr=[Jy, ual )vi,,w, ) dr 在普通拉曼光谱中,中间态不是分子的本征态(通 常是个虚拟态),使吸收和散射的几率都很小。 在共振拉曼光谱中,由于激发光源频率落在被照射 分子的某一电子吸收带以內,使虚拟态变成了本征 态,从而大大增加了分子对入射光的吸收强度。 共振拉曼光谱对实验技术的特殊要求: 1)光源的频率可调谐 2)激发光源的谱线频率要尽可能窄,单色性要好 3)激发光源要高强度、高会聚 4)光谱分析器要高灵敏度和高分辨率

拉曼过程可以看成是一个双光子过程 ()    d       d d d j j d i j i j i i d ( )( ) * * *   = = 在普通拉曼光谱中，中间态不是分子的本征态（通 常是个虚拟态），使吸收和散射的几率都很小。 在共振拉曼光谱中，由于激发光源频率落在被照射 分子的某一电子吸收带以内，使虚拟态变成了本征 态，从而大大增加了分子对入射光的吸收强度。 共振拉曼光谱对实验技术的特殊要求： 1) 光源的频率可调谐 2) 激发光源的谱线频率要尽可能窄，单色性要好 3) 激发光源要高强度、高会聚 4) 光谱分析器要高灵敏度和高分辨率

@拉曼光谱 45多原子分子电子光谱 荧光过程示意图 电子激发态上较高能级的分 子在很短时间内以非辐射形 式释放掉一部分能量,弛豫 到第一电子激发态的零振动 态,然后再由此以辐射形式 下降到电子基态上的不同振 Absor tion 动态 △S0 △y=0 Radiation

1.4.5 多原子分子电子光谱 荧光过程示意图 S = 0 S = 0 电子激发态上较高能级的分 子在很短时间内以非辐射形 式释放掉一部分能量，弛豫 到第一电子激发态的零振动 态，然后再由此以辐射形式 下降到电子基态上的不同振 动态