Спектроскопия комбинационного рассеяния света (рамановская спектроскопия)

Понятие комбинационного рассеяния света. Переменное поле световой волны. Квантовые переходы при комбинационном рассеянии света. Возникновение дополнительных линий в спектре рассеяния. Устройство рамановского микроскопа, основные сферы ее применения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева

(национальный исследовательский университет)»

Радиотехнический факультет

Реферат

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (рамановская спектроскопия)

Выполнила: студентка гр. 5224 М 344:

Акулова А.С.

Проверил:доцент кафедры ЛБТС

Тимченко П.Е.

Самара 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Открытие комбинационного рассеяния в МГУ (Москва)

Исследования в Калькутте

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ ЭФФЕКТА КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

УСТРОЙСТВО РАМАНОВСКОГО МИКРОСКОПА

ПРИМЕНЕНИЕ КРС СПЕКТРОСКОПИИ

Недостатки КРС-спектроскопии

Преимущества метода КРС-спектроскопии

Основные сферы применения КРС спектроспопии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Рамановская спектроскопия - это метод спектроскопии, базирующийся на неупругом рассеянии падающего на образец излучения. При этом сдвиг частот падающего излучения соответствует колебательной энергии определенных связей в молекуле.

Рамановская спектроскопия уже стала одним из важнейших аналитических и исследовательских инструментов. Она применяется в широком ряде приложений: в физике, химии, фармацевтике, криминалистике, при изучении полимеров, тонких пленок, полупроводников, при анализе структур фуллеренов и углеродных нанотрубок.

Современные Рамановские спектрометры, оснащенные конфокальным микроскопом, являются мощнейшими инструментами бесконтактного и неразрушающего исследования вещества. Они широко востребованы как в науке, так и в производстве - для решения задач по разработке и контролю новейших технологических процессов. Быстрый рост популярности Рамановской спектроскопии тесно связан с рядом ее уникальных преимуществ: это неразрушающий и бесконтактный метод, не требующий подготовки пробы, применим для анализа твердых материалов и жидкостей (в определенных случаях - также газов), достаточно экспрессный (время анализа - от секунд до минут), нет ограничений на содержание воды в образцах (как для ИК спектроскопии), в оборудовании применяют недорогие кварцевые или стеклянные кюветы (не требуется солевая оптика как для ИК спектроскопии).

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) -- неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества. Число и расположение появляющихся линий (называемых комбинационными линиями или спутниками) определяется молекулярным строением вещества.

Несколько известных физиков теоретически предсказывали возможность комбинационного рассеяния ещё до его экспериментального обнаружения. Первым комбинационное рассеяние света предсказал Адольф Смекаль (в 1923 г.), затем последовали теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера и других.

Открытие комбинационного рассеяния в МГУ(Москва)

В 1918 г. Л. И. Мандельштам предсказал расщепление линии рэлеевского рассеяния вследствие рассеяния света на тепловых акустических волнах. Начиная с 1926 г., Мандельштам и Ландсберг развернули в Московском государственном университете (МГУ) экспериментальное изучение молекулярного рассеяния света в кристаллах, преследуя цель обнаружить тонкую структуру в спектре рассеяния, вызванную модуляцией рассеянного света упругими тепловыми волнами, частоты которых лежат в акустическом диапазоне (продолжение исследований феномена, ныне именуемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна). В результате этих исследований 21 февраля 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект комбинационного рассеяния света (они зарегистрировали новые линии спектра, возникшие в результате модуляции рассеянного света колебаниями атомов кристаллической решетки в оптическом диапазоне частот). О своем открытии они сообщили на коллоквиуме от 27 апреля 1928 г. и опубликовали соответствующие научные результаты в советском и двух немецких журналах.

Исследования в Калькутте

В 1921 г. в университете Калькутты индийскими физиками Раманом и Сешагири Рао были обнаружены особенности в поляризации рассеянного дистиллированной водойсвета при наличии светофильтров в канале детектирования. В 1923 году Раманoм было показано, что особенности поляризации связаны с присутствием в среде некого дополнительного свечения с длиной волны, заметно отличающейся от длины волны падающего излучения[6]. В качестве возможной гипотезы объяснения могла быть выдвинута флюоресценция, однако химическое очищение раствора не приводило к исчезновению эффекта. Последнее привело Рамана к мысли о том, что наблюдаемое явление есть некоторое принципиально новое явление и с 1923 года Раман начинает программу исследования «нового света» в жидкостях и парах. В период с 1923 по 1928 его группа показывает наличие рассеяния с изменением по частоте в более, чем 100 прозрачных жидкостях, газах и твердых телах. Основным методом исследования, однако, являлось использование дополнительных светофильтров и поляризаторов, что не позволяло дать адекватную интерпретацию наблюдаемому явлению. Но в 1928 г. Раман выдвигает предположение, что наблюдаемый эффект есть якобы некий аналог эффекта Комптона в оптике, предполагая, что фотон может быть «поглощён частично», причем части не могут быть произвольными и должны соответствовать спектрам инфракрасного поглощения света. Индийские учёные Ч. В. Раман и К. С. Кришнан (Krishnan) предпринимают экспериментальную проверку этой гипотезы и обнаруживают линейчатый спектр у исследуемого ими на протяжении многих лет излучения[7]. Накопленный за многие годы экспериментальный материал позволил им немедленно опубликовать статью, в которой они заявили об обнаружении нового вида свечения, присущего широкому классу веществ.

По словам Рамана: «Линии спектра нового излучения были в первый раз обнаружены 28 февраля 1928 года», то есть на неделю позже, чем Ландсберг и Мандельштам вМГУ. С другой стороны, индийские физики опубликовали 16 работ по поведению света в жидкостях и парах[8] на момент выхода публикации Ландсберга и Мандельштама по комбинационному рассеянию света в кристаллах. Несмотря на то, что советские физики проводили свои исследования по рассеянию света с 1918 г и абсолютно независимо от Рамана, Нобелевская премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману «за его работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного по его имени» [9]. (Исходя из статистики, на ранних этапах своей работы Нобелевский комитет крайне неохотно давал премию более, чем одному человеку.) С тех поркомбинационное рассеяние света в иностранной литературе носит название «эффект Рамана».

В 1957 году Раману была также присуждена Международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами».

Ч. В. Раман К. С. Кришнан Г. С. Ландсберг Л. И.Мандельштам

Рисунок 1 - Первооткрыватели эффекта комбинационного (рамановского) рассеяния света

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕОРИИ ЭФФЕКТА КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

При прохождении света через вещество рассеяние света отмечается на неоднородностях среды. Рассеяние становится существенным, когда эти неоднородности по своим размерам приближаются к длине волны падающего света. Одним из видов неоднородностей в чистом веществе могут быть флуктуации плотности, возникающие вследствие теплового движения молекул. Рассеяние, происходящее на флуктуациях плотности, называется молекулярным или рэлеевским. Рэлеевское рассеяние происходит без изменения частоты рассеянного света (по сравнению с падающим). Сущность же комбинационного рассеяния состоит в появлении в спектре рассеянного света новых линий с частотами, являющимися комбинациями частот падающего излучения и собственных частот молекулы (колебательных и вращательных).

Современная квантово-механическая теория комбинационного рассеяния позволяет объяснить основные экспериментальные факты. Вместе с тем, наиболее общие закономерности могут быть получены на основе использования классической электродинамики, привлекая квантовые представления лишь в тех случаях, когда без них невозможно обойтись. Будем рассматривать взаимодействие фотонов с атомами (и сами фотоны), используя классическую электродинамику, а состояния атомов описывать с помощью квантово-механических представлений.

При прохождении электромагнитной волны в веществе индуцируется дипольный момент за счет смещения электронов в поле волны от положения равновесия. Соответственно у каждой частицы появляется дипольный момент:

где б - поляризуемость частицы.

Переменное п...