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1、硝酸钾晶体和熔盐结构的激光Raman光谱测定实验目的（1）掌握Raman散射的原理（2）观察离子晶体在固态和熔融状态Raman光谱的不同（3）学习Raman光谱法测定熔盐结构的方法实验原理（1）Raman散射的原理Raman散射是1928年由印度物理学家Raman发现的，分子对入射光所产生的频率发生较大变化的一种散射现象。从力学的观点来看，光由光子组成，这是光的粒子性。当光照射样品时，光子与样品分子间的相互作用可以用光子与样品分子之间的碰撞来解释。如果这种碰撞是弹性的碰撞，即只导致运动方向改变而未引起能量交换，因此光子的能量不变，其频率也不改变。这就是Rayleigh散射产生的原因。如果光子和
2、样品分子间发生非弹性碰撞，即光子除改变运动方向外还有能量的改变，一部分能量碰撞时在光子和样品之间发生交换，光子的能量有所增减，则光的频率就会发生改变。整个过程中，系统保持能量守恒。光子和样品分子之间的作用也可以从能级之间的跃迁来分析，见图1。通常，被测分子处于电子能级的基态和振动能级基态。入射光子的能量远大于振动能级跃迁所需要的能量，但又不足以将分子激发到电子能级激发态。这样，被测分子吸收光子后到达一种准激发状态，又称为虚能态。样品分子在准激发态时是不稳定的，它将会迅速向基态回跳。若分子回到振动能级基态，则光子的能量未发生改变，发生Rayleigh散射。如果被测分子回到某一较接近基态的振动激发
3、态，则散射光子的能量小于入射光子的能量，其波长大于入射光。这时散射光谱中在Rayleigh线低频侧将出现一根Raman散射光的谱线，称为Stokes线。如果被测分子在与入射光子作用前的瞬间不是处于最低振动能级，而是处于某个振动能级激发态，在入射光光子使其跃迁到虚能态后，该分子退回到振动能级基态，这样散射光能量大于入射光子能量，其谱线位于Rayleigh线的高频侧，称激发态StokesRayleighAnti-Stokes荧光基态虚态 图1 Raman散射过程能量跃迁示意图为anti-Stokes线。Stokes线和anti-Stokes线位于Rayleigh线两侧，间距相等。由于虚能态极不稳定
4、，因此跃迁的时间常数非常短，一般约为10-9-10-12s。而荧光过程由于经历了电子激发态，并在激发态区间有一弛豫过程，时间常数则相对大的多，一般在10-3-10-8s左右。Raman频移v与物质分子的振动/转动能级有关，不同物质分子有不同的振动/转动能级，因而有不同的Raman频移。对于同一物质，使用不同频率的入射光，则会产生不同频率的Raman散射光，但是Raman频移值一定。因此，是表征物质分子振动/转动能级特性的物理量，这就是通过对物质的Raman光谱测定能够鉴定和研究物质分子基团结构的基本原理。（2）KNO3的振动形式与Raman光谱KNO3中的振动离子团为NO3-，NO3-为对称的
5、等边三角形结构，O原子处于三角形的定点，N原子处于三角形的中心，属于D3h点群，根据群论，NO3-有三个振动模是具有拉曼活性的，即A1+2E，如图3所示。因此，KNO3的Raman光谱有三个Raman振动峰。实验设备及实验药品Horiba Jobin Yvon HR800型激光Raman光谱仪，显微加热台，电源，68铂坩埚，石英片。分析纯KNO3晶体1g左右。图3 NO3-的三种简正振动模式实验步骤（1）依次打开电脑、Raman光谱仪主机控制器、紫外发射激光器； 打开 LabSpec 光谱仪软件，设置CCD 温度为-70C。 （2）光谱仪的检测和标定。将LabSpec软件操作界面上的Laser
6、，Filter，Hole，Grating，Lens等参数设定后，使用标准Si样品进行校正。 a) 将光栅位置Spectrometer移动到Zero； b) 将焦点聚到样品后，使用单窗口模式，采集谱图，检测谱峰中心位置； c) 如谱峰中心不在0nm处，进入Setup=Instrument Calibration，以正负5为步长调整Zero的值，使谱峰中心移动到0cm-1处。d) 将Spectrometer重新移动到Zero处，采谱。e) 重复(c)(d)两步骤，直到所采谱线达到所需要求。f) 移动Spectrometer到Si一阶峰520.7cm-1处，用与上面叙述相同的方法进行校正。（3）将K
7、NO3晶体装入铂坩埚中，压实。（4）测定常温下KNO3晶体的Raman光谱：设定Laser，Filter，Hole，Grating，Lens以及Extended range和Acquisition等参数后将焦点聚到KNO3样品后，进行Raman光谱的测定。（5）测定高温KNO3熔盐的Raman光谱：将盛有KNO3药品的铂坩埚置于显微热台中，对热台通电，使KNO3熔化，聚焦后，采用原来设定的参数进行Raman光谱的测定。（6）对所得到Raman光谱进行去基线处理后，对其进行峰位拟合，得到各峰的Raman频移，强度，半高宽等数据。（7）比较KNO3在固态和熔融态下Raman光谱的不同。注意事项（1
8、）KNO3晶体具有吸水性，使用前应该烘去其附着水，并在干燥箱内存放。（2）Raman光谱仪属于高精度光学设备，房间温度应保持在23摄氏度，湿度应保持在60度以下，室内保持清洁。（3）进行KNO3熔盐Raman光谱测定时要避免熔盐挥发物损害镜头和仪器。（4）光谱仪主机和外接激光器上不得倚靠及放置重物。实验记录将实验数据填写在下面表格中：（1）固态KNO3Raman峰参数振动模式Raman位移(cm-1)半高宽(cm-1)134（2）熔融态KNO3Raman峰参数振动模式Raman位移(cm-1)半高宽(cm-1)134报告编写（1）简述实验目的和原理。（2）写明操作步骤，尤其是记明实验条件。（3）做出常温和高温熔融状态下KNO3的Raman光谱；列出通过分析拟合得到的各Raman峰的位移和半高宽。（4）通过对所得Raman峰的比较，讨论KNO3中的离子团在固态和熔融态状态下的结构变化。思考题（1）我们所得到的Raman光谱的横坐标是什么？其物理含义是什么？改变入射激光的频率是否会对其数值产生影响？（2）简述高温Raman光谱测定实验与常温测定实验有何不同。（3）查阅相关资料，列举出几种研究高温熔盐结构的方法。
