1_4 (829179), страница 3
Текст из файла (страница 3)
5. Спектр комбинационного рассеяния молекулы CCl4: а) – круговаяполяризация лазерного излучения; б) – линейная поляризация лазерногоизлучения; с) - спектр инфракрасного поглощения молекулы CCl4.Как видно, сателлиты спектра комбинационного рассеяния молекулы CCl4 заметно поляризованы.Подробнее об этом см. в [7]. Мы рассмотрим подробно лишь колебание ν 1 , т.к. его поляризационныесвойства наиболее ярко проявляются в нашей постановке эксперимента.
Дело в том, что полностьюсимметричное колебание ν 1 можно рассматривать как колебание диполя. На рис. 6 изображенадиаграмма направленности излучения диполя. Излучение лазера, используемого в нашемэксперименте, имеет вертикальную линейную поляризацию. Вследствие этого, полностью84поляризованная компонента ν 1 оказывается практически подавлена в регистрируемом спектрекомбинационного рассеяния.
Для ее наблюдения излучение лазера нужно преобразовать в круговуюполяризацию при помощи четвертьволновой пластинки.ρ(θθ)..dК монохроматоруОт лазераθИндикатриса рассеяния светаодиночной молекулойРис. 6. Слева: диаграмма направленности излучения диполя с дипольным моментом d, справа: КРсвета с вертикальной линейной поляризацией.He-Cd лазерИсточникпитания ФЭУАЦПЛюминесцентная лампаМонохроматор МДР-41ФЭУРис. 7. Схема экспериментальной установки для наблюдения спектра комбинационного рассеянияОписание установкиРабота выполняется с использованием дифракционного монохроматора МДР-41. Внешний видэкспериментальной установки представлен на рис.
7, 8. В качестве источника света используетсягелий-кадмиевый лазер (λ = 441.6 нм, Рвых = 20 мВт), излучение которого фокусируется оптическойсистемой в кювету с исследуемым веществом. В установке реализована наиболее часто используемаяв спектроскопии комбинационного рассеяния регистрация рассеянного света под 90°. Свет,рассеянный исследуемым веществом, в данном случае раствором четыреххлористым углерода CCl485попадает на входную щель дифракционного монохроматора.
После монохроматора через выходнующель рассеянный свет попадает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Интенсивность рассеянногосвета записывается с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и компьютера. Разверткаспектра обеспечивается поворотом дифракционной решетки монохроматора при помощиспециального электродвигателя (шагового двигателя). Шаговый двигатель (ШД) соединяется с валомрешетки через систему шестерней. Блок управления ШД позволяет вращать решетку с девятьюразличными скоростями.Люминесцентная лампа, используемаядля калибровки монохроматораНе-Cd лазерБлокуправленияМДР-41ФЭУ,регистрирующийрассеянный светВысоковольтныйисточник питанияФЭУБлокпитаниялазераКювета с исследуемымвеществомЛинза, фокусирующаярассеянное излучение навходную щель монохроматораДифракционныймонохроматор МДР-41Рис.
8. Фотография экспериментальной установки для наблюдения спектра комбинационногорассеянияСпектр комбинационного рассеяния нужно записать дважды: при линейной и круговойполяризации излучения лазера. Для изменения поляризации лазера с линейной на круговую, на еговыходное окно нужно надеть оправку с четвертьволновой пластинкой.Задание.1. Определите положения и интенсивности стоксовых и антистоксовых сателлитов комбинационногорассеяния.2. Вычислите отстройку стоксовых и антистоксовых сателлитов от возбуждающей линии вАнгстремах, Гц и см-1.
Если количество стоксовых и антистоксовых сателлитов не совпадает, тообъясните это явление.3. По полученным длинам волн определите частоты собственных колебаний молекулисследованного вещества.4. Оцените температуру вещества в кювете. Если полученная величина отличается от комнатнойтемпературы, то объясните почему.Требования, предъявляемые к отчету. Отчет должен содержать:1. Краткую физическую картину физического явления комбинационного рассеяния.1.
Оптическую схему установки.3. Процедуры измерения и обработки результатов.4. Таблицу длин волн всех линий комбинационного рассеяния и соответствующие им волновыечисла.5. Среднее значение частот нормальных колебаний, с указанием погрешности и сравнениеполученных результатов с частотами нормальных колебаний молекулы CCl4.Контрольные вопросы.1.
Краткая классическая теория комбинационного рассеяния862. Краткая квантовая теория комбинационного рассеяния3. Отличия между рэлеевским и комбинационным рассеянием.4. Можно ли зарегистрировать комбинационное рассеяние, использую в качестве источникадругой лазер, например гелий-неоновый?5. Дать объяснение числу зарегистрированных сателлитов.6. Объясните отличия в зарегистрированных спектрах комбинационного рассеяния при разныхполяризациях излучения лазера.7. Чему равна разница в длинах волн переходов между двумя соседними сателлитами?8.
Известно, что хлор имеет два стабильных изотопа: 35Cl и 37 Cl . Очевидно, это приведет кпоявлению тонкой структуры у сателлитов комбинационного рассеяния. На сколькокомпонент расщеплен сателлит ν 1 ? Оцените предельную величину расщепления в см-1.9. Почему регистрация рассеянного излучения проводится под углом 900 к направлениюраспространения лазерного излучения?Приложение 1. Практические применения КР.После опубликования первых статей по исследованию комбинационного рассеяния света в миревыполнены и опубликованы многие тысячи оригинальных исследований, написаны десятки книг имножество обзорных статей, а число работ в настоящее время все продолжает расти, что потребовалоиздания специальных журналов. Уже много лет выходят журналы «Journal of Raman Spectroscopy» и«Raman News Letters».В настоящее время комбинационное рассеяние света широко применяется для изучения состава истроения вещества.
На основе метода КРС возможен качественный и количественный анализсложных органических смесей, определение состава которых другими методами весьмазатруднительно, а в ряде случаев даже невозможно. Молекулярный анализ по спектрамкомбинационного рассеяния стал распространенным методом исследования и нашел применение прирешении ряда практически важных задач.Не менее важны применения КР для изучения структуры молекул и определения характеризующихих параметров.
Данные, доставляемые спектрами комбинационного рассеяния (иинфракраснымиспектрами), позволяют определить частоты внутримолекулярных колебаний и силы, действующиемежду атомами в молекулах, а также важные электрооптические параметры последних. Наконец,спектры комбинационного рассеяния с успехом применяются для исследования конденсированногосостояния, позволяя выяснить тонкие особенности строения жидкостей и кристаллов. Исследованиячастотной зависимости спектра, интенсивности компонент и их поляризации дает обширныесведения о строении молекул, квазиупругих связях внутри молекул.С помощью спектров КРС можно измерять частоты собственных колебаний молекул икристаллов. Это открывает широкие возможности для идентификации веществ и исследованияпроисходящих в них превращений под влиянием внешних воздействий. Приведем несколькопримеров. Одно и то же вещество может иметь несколько модификаций, скажем, углерод бывает вформе графита, алмаза и аморфной фазы.
Химический или спектральный анализы не даютвозможности отличить эти фазы, но спектры КР для них будут различаться, поскольку длякомбинационного рассеяния важен не только химический состав вещества, но и его структура. Cпомощью КР можно изучать процессы плавления кристаллов и кристаллизации жидкостей,исследовать химические реакции в растворах, фиксировать появление на поверхности твердых телтонких пленок и характеризовать их структуру, и т. д. Изменение температуры, давления и другихвнешних факторов приводят к изменению симметрии решетки некоторых кристаллов (структурныефазовые превращения).
Перестройка кристаллической решетки, естественно, приводит к изменениюее колебательного спектра, и КР является тонким инструментом для анализа этих превращений.Выводы о структуре вещества по спектрам комбинационного рассеяния связаны с установлениемсвойств симметрии молекул, которыми определяются правила отбора в колебательных спектрах.Данные о числе линий, их интенсивности и поляризации - даже грубокачественные — позволяют вомногих случаях решить вопрос о наличие у исследуемой молекулы тех или иных элементов87симметрии.
Для простейших молекул этих данных часто бывает достаточно для выбора между тойили иной возможной моделью и установления реальной геометрической конфигурации молекулы.Поскольку в процессе КР участвуют колебательно – вращательные переходы в молекулах справилами отбора отличными от ИК поглощения, то он является дополнительным методомисследование ИК спектров. Кроме того чувствительность регистрации на несколько порядков выше,поскольку спектры КР регистрируются на длине волны отличной от длины волны возбуждающегоизлучения.
В этом случае применение оптически селектируюшего прибора (например,монохроматора) позволяет существенно ослабить вредные наводки.Появление в 60-х годах лазерных источников света не только позволило существенно развитьпрежние традиционные исследования комбинационного рассеяния света (КР), но, что самое главное,позволило найти и изучить новые явления, создать новые методы экспериментального исследования.Лазерные источники света и двойные и тройные спектрометры, использующие голографическиерешетки и многопроходные интерферометры Фабри — Перо, позволили получить спектры,отличающиеся огромным контрастом от 107 до 1013, что открыло возможность исследовать КР света вметаллах, изучить взаимодействие фотонов с целым рядом других возбуждений, таких, как магноны,плазмоны, поверхностные поляритоны, КРС на дефектах и примесях в кристаллах и др.В настоящее время множество фирм выпускают КР спектрометры различных модификаций, сприменением различных типов лазеров, в том числе полупроводниковых.
Это делает ихминиатюрными. Для примера приведем, что первые эксперименты (1928г.) проведены с регистрациейспектров на фотопластинку с экспозицией 15 часов. Современные образцы КР спектрометровпроизводят запись спектров за время не превышающей несколько секунд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
