拉曼散射

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介紹

拉曼散射是一種理想的技術，它根據散射分子的旋轉和振動特性產生具有不同頻率的散射光子。物理學家和化學家利用拉曼散射來識別材料。近年來，雷射被用於記錄光譜，而照相底片和汞燈則用於計算光譜。

1928年，拉曼散射被C.V.拉曼及其著名的學生K.S.克里希南發現。C.V.拉曼因其這一開創性發現於1930年獲得獎勵。實驗表明，由於拉曼散射的發生機率遠低於其他散射現象，只有一個光子被散射。拉曼光譜基於拉曼散射的原理。

什麼是拉曼散射？

拉曼散射被描述為一種光學過程，其中入射光與樣品相互作用產生散射光。這種光的能量被樣品化學鍵的振動模式降低。拉曼效應涉及到固體、液體或氣體分子的光散射 (Pilot et al. 2019)。

拉曼效應包括在入射光波長附近出現額外的譜線。與實際波長處的散射光相比，拉曼散射光中的譜線強度較弱。

拉曼散射通常被認為是弱的，因為單個分子在照射前處於旋轉和振動激發態，可能會導致反斯托克斯譜線的出現。

圖1：拉曼散射

拉曼散射具有方向性表面等離子體激元，它結合了共振和光譜的優勢，能夠進行單層敏感的化學反應計算和吸收。拉曼散射通常用於研究低頻、旋轉和振動分子模式 (Zhang et al. 2019)。

散射光子是非彈性散射的，這表明粒子的動能增加或損失，並且由反斯托克斯和斯托克斯部分組成。

拉曼光譜原理

單色輻射穿過一些樣品，該輻射可能會被散射、吸收或反射。這是拉曼光譜背後的主要原理，因為它基於拉曼散射的現象 (Bell et al. 2020)。當光與固體、液體或氣體相互作用時，大量光子以相同的能量散射。

圖2：拉曼光譜

散射光子的頻率與入射光子不同，因為旋轉和振動特性不同。正如Guo等人 (2020)所指出的，這種變化導致波長的變化，這在紅外光譜學中是可見的。

與入射光子相比，少量光子（大約百萬分之一）可能以不同的頻率散射。散射光子和入射光子之間的差異稱為拉曼位移。

拉曼散射過程

拉曼散射過程可以用量子力學來解釋。當光子與分子相互作用時，分子可能會被激發到更高的能級。結果可能與高能態不同 (Lindquist et al. 2020)。一種可能的結果是分子可能會弛豫並回到與初始態不同的振動能級，從而產生不同能量的光子。

拉曼散射的分類

拉曼散射主要以兩種方式出現：斯托克斯散射和反斯托克斯散射。斯托克斯散射發生時，發射輻射的頻率低於入射輻射 (Xu et al. 2018)。反斯托克斯散射與斯托克斯散射相反，發射輻射的頻率更高。

圖3：拉曼散射的分類

從圖中可以看出，圖中綠色的箭頭代表入射輻射。上圖表示電子能級用“n=”標記。拉曼效應有助於拉曼光譜的解釋，並表徵有效的拉曼散射。

拉曼效應的應用

拉曼光譜在工業中有多種應用，包括結晶過程、化學合成、氫反應、聚合反應等等。

然而，拉曼效應在許多方面得到了廣泛的應用。拉曼放大是基於拉曼散射，其中低頻光子被泵浦到高頻區域，具有大量的能量。這個過程在電信中非常適用。在光學相位中，利用光譜產生超連續譜，這導致光譜平滑，因為初始光譜是瞬時產生的，然後被放大到更高的能量 (Song et al. 2020)。

研究表明，拉曼散射被用於行星探測和遙感。拉曼散射被用來探測火星上的礦物。拉曼效應的應用已擴充套件到多個領域，例如“奈米技術”，以理解奈米線的結構。

結論

拉曼散射產生具有不同頻率的散射光子，這取決於分子的固有特性。如果已知光子的行為受光反射的影響，則散射是可理解的。拉曼效應決定了光波長的變化。拉曼散射中有七種可見顏色，通常被稱為“VIBGYOR”，從短波長到長波長排列。從不同的實驗中可以看出，藍色總是被散射的。

常見問題

Q1. 拉曼光譜的定義是什麼？

拉曼光譜被定義為一種分子光譜技術，它利用光與物質的相互作用來獲得對構成物質特徵（如FTR）的特定見解。拉曼光譜提供的資料來自光散射過程，它不依賴於光吸收。

Q2. 拉曼光譜的用途是什麼？

拉曼光譜用於計算光的散射。它主要用於識別現有分子的低頻、旋轉和振動模式。

Q3. “自由度”是什麼？

“自由度”是指確定物理構型的引數數量。在拉曼散射中，測量“自由度”的公式是3N。

Q4. 拉曼光譜中使用哪種波？

紫外波用於拉曼光譜的篩選方法。拉曼光譜基於拉曼效應，利用光束散射。

參考文獻

期刊

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網站

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