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Sandbox Physics
分子、力与极快运动

装置 · 观测 · 推断

Raman:换了入射谱线,频移不变

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怎样从谱线看出,光和分子交换了能量,而不是普通散射或荧光?

  1. 选一条入射谱线
  2. 照射分子样品
  3. 把散射光分光
  4. 比较频率位移
最初的实验用的是滤过的灯光;受激 Raman 激光和电子振动谱测的是另外的过程。

多出的谱线,与入射线保持固定频差

1928 年,Raman 和合作者用汞灯的一条选定谱线照射材料,观察散射光。入射线旁边还出现了位移谱线。换用另一条汞线,这组附加谱线跟着移动,与入射线的频差却不变,这些频差是样品特有的。这项工作后来获得 1930 年的奖。

换光源谱线是关键的一步。单看一条颜色意外的谱线,它可能来自污染、光源漏光或发光。位移如果属于样品,换一个入射频率还能重现,其他解释的余地就小了。

来源:[1][2]

光子可以留下能量,也可以带走能量

Stokes 散射中,出射光子能量变低,少掉的能量留给分子,成为激发能。anti-Stokes 散射中,分子原本处在激发态,把能量交给光子,出射光子能量更高。频差乘以 Planck 常数,就是交换的能量。

这些公式只给谱线位置,不给强度。一个振动在 Raman 谱里有多强,取决于它怎样改变分子的极化率,所以能吸收红外的振动,在 Raman 谱里未必一样强。式中频率按每秒周期数计,不是角频率;公式假定跃迁指认正确,并在这个解释层面忽略反冲。

νS=ν0−νvνAS=ν0+νvΔE=hνv\begin{aligned}\nu_{\mathrm S}&=\nu_0-\nu_{\mathrm v}\\\nu_{\mathrm{AS}}&=\nu_0+\nu_{\mathrm v}\\\Delta E&=h\nu_{\mathrm v}\end{aligned}

来源:[1]

先标定频移,再认分子

现代自发 Raman 谱仪要挡住强得多的弹性散射光,还要标定谱轴。探测器响应、激光加热、荧光背景和谱带重叠,都会影响对谱的解读。把波长差换算成频移或波数位移,还必须知道入射波长。

改变激发频率,也能帮助区分 Raman 线和荧光。荧光由发光态怎样弛豫决定,往往不会和激发光保持固定频差。不过共振和复杂样品会干扰这项判断,所以它只在合适条件下管用,并非万无一失。

来源:[1][3][4]

三种测振动的技术,测的是三种过程

自发 Raman 散射记录很弱的移频光谱;Raman 激光器靠受激增益和反馈工作;振动 EELS 测电子损失的能量。三者都能触及振动能量,选择规则、背景和装置却各不相同。

所链的两个 Lab 讲的是后两种过程,可以用来对比,但都不采集自发 Raman 光谱。本站还缺一个能采集自发 Raman 光谱的 Lab。

来源:[1]

在原始资料里找第二条激发线

把讲稿和颁奖说明对照着读,留意两点:光是怎样滤的;换了入射谱线以后,附加光谱怎样跟着移动。再问每个相关模型测的是什么:出射光的频率,还是电子损失的能量。测的量不同,能得出的结论也不同。

来源:[1]

来源与阅读说明

历史部分依据托管的讲稿和颁奖说明。和现代仪器的比较,用来说明每种方法能看出什么、看不出什么。本文没有数字化任何历史光谱。

  1. C. V. Raman, The molecular scattering of light (1930)

    读了讲稿和颁奖说明的第 263–275 页:选用哪条汞灯谱线、位移谱线,以及分子能量的论证。 阅读托管原稿

  2. Nobel Foundation, C. V. Raman: biographical account

    读了机构的原始传记,查 1928 年观测和 1930 年获奖的时间。

  3. HORIBA, How do you perform good calibration on a Raman system?

    核读厂商关于参考谱带和波长漂移的说明,用于现代标定讨论,不作为 1928 年装置的依据。

  4. HORIBA, Steady State Fluorescence Techniques: solvent Raman peaks

    核读厂商对改变激发波长和溶剂 Raman 峰的比较,不引申为任何专有仪器的性能结论。

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