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名家專欄 | 拉曼光譜系列:了解拉曼光譜的基本原理

來源:北京先鋒泰坦科技有限公司 更新時(shí)間:2024-06-12 14:45:10 閱讀量:533
導(dǎo)讀:川大原子與分子物理研究所雷力研究員團(tuán)隊(duì)


名家專欄

隨著科技的飛速發(fā)展,光電應(yīng)用與材料領(lǐng)域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識(shí)和技術(shù)與新應(yīng)用,為響應(yīng)國家號(hào)召,先鋒科技推出《名家專欄》系列技術(shù)與應(yīng)用新聞專欄,該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學(xué)、量子理論及激光誘導(dǎo)擊穿光譜等多領(lǐng)域系列,全系列專欄共計(jì)36篇,深入剖析前沿科技,為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識(shí)盛宴,為廣大科研工作者提供一個(gè)交流與學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

拉曼光譜在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、地學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)已經(jīng)成為物質(zhì)科學(xué)研究的主要技術(shù)之一。首篇《名家專欄》拉曼光譜系列專欄,榮幸地邀請(qǐng)到了四川大學(xué)原子與分子物理研究所雷力研究員團(tuán)隊(duì), 將簡單介紹一下拉曼光譜的基本原理。

圖1. 熊貓與光散射

光是一種具有固定能量(頻率或波長)的電磁波,光子是傳播電磁相互作用的基本粒子。當(dāng)能量為hv0入射光穿過透明介質(zhì)時(shí),光子與介質(zhì)中的分子發(fā)生彈性碰撞,光的方向或許發(fā)生變化,但其能量仍保持不變,這一現(xiàn)象叫做瑞利散射;而小部分光子會(huì)與分子發(fā)生非彈性碰撞,不僅光的方向發(fā)生了變化,光子的能量也發(fā)生了改變,散射光的能量與入射光能量不同(hv1hv0,這便是拉曼散射。印度科學(xué)家拉曼(1888-1970)由于首次發(fā)現(xiàn)這種光波在介質(zhì)傳播過程中被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,而獲得1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖2. 光散射示意圖

除了光子與分子的相互作用,光子與聲子等元激發(fā)相互作用產(chǎn)生的非彈性散射皆可稱為拉曼散射。由于拉曼散射光非常弱,其強(qiáng)度一般不及瑞利散射光強(qiáng)的千分之一。如果汞燈做為拉曼激發(fā)光源,獲得一幅完整的拉曼光譜是非常耗時(shí)的。激光器在光源亮度、單色性、方向性、相干性具有顯著的優(yōu)點(diǎn),是拉曼光譜研究近乎理想的光源。激光器的出現(xiàn)使拉曼光譜學(xué)產(chǎn)生了重大技術(shù)變革,產(chǎn)生了激光拉曼譜學(xué)。

在光與物質(zhì)相互作用過程中,拉曼散射光與入射光的頻率差(拉曼頻移)反映物質(zhì)的固有屬性,可以根據(jù)拉曼頻移的大小來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與物性。值得注意的是,拉曼散射現(xiàn)象和熒光現(xiàn)象物理的機(jī)制不同,拉曼效應(yīng)不能用實(shí)際電子能級(jí)躍遷來解釋,而用元激發(fā)的虛能級(jí)躍遷來說明。拉曼散射過程中,如果散射光子的能量小于入射光子的能量hv1hv0,稱之為斯托克斯散射;如果散射光子的能量大于入射光子的能量hv2hv0,稱之為反斯托克斯散射。在一次常規(guī)的拉曼散射物理過程中,正、反斯托克斯散射會(huì)同時(shí)發(fā)生,由于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的相對(duì)熱占比遵循玻爾茲曼分布,室溫條件下正斯托克斯譜線的強(qiáng)度要高于反斯托克斯譜線的強(qiáng)度(IsIas),在實(shí)驗(yàn)上可以通過測(cè)量正、反斯托克斯散射譜線強(qiáng)度比來推測(cè)物質(zhì)的溫度。

圖3. 光散射的能級(jí)關(guān)系

作者簡介

作者:雷力,王揚(yáng)斌
作者單位:四川大學(xué)原子與分子物理研究所

雷力,四川大學(xué)原子與分子物理研究所研究員,博士生導(dǎo)師,主要開展高壓譜學(xué)研究?,F(xiàn)任中文核心期刊《光散射學(xué)報(bào)》常務(wù)副主編、編輯部主任,《高壓物理學(xué)報(bào)》編委,中國物理學(xué)會(huì)光散射專業(yè)委員會(huì)委員,中國化學(xué)學(xué)會(huì)高壓化學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員。個(gè)人主要貢獻(xiàn):

(1)提出“廣義壓強(qiáng)”概念

(2)發(fā)現(xiàn)一種新型聚合氮——“熊貓氮

(3)發(fā)現(xiàn)新型高壓化學(xué)反應(yīng)HSM和HPC

(4)創(chuàng)立國內(nèi)高校首支以科研為背景的流行樂隊(duì)——高壓樂隊(duì)。

(百度/必應(yīng)搜索關(guān)鍵詞:“廣義壓強(qiáng)”、“熊貓氮”,“高壓耦聯(lián)”、“高壓樂隊(duì)”)

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