Спектроскопия комбинационного рассеяния

1. Спектроскопия комбинационного рассеяния

2. Спектроскопия • Спектроскопия – раздел физики, посвященный изучению спектров электромагнитного излучения. • Спектральный анализ – одна из областей применения спектроскопии: метод качественного и количественного определения состава веществ, основанный на исследовании спектров. • Спектральный анализ может быть эмиссионным и абсорбционным.

3. Рэлеевское и комбинационное рассеяние • Рэлеевское рассеяние – мгновенное упругое рассеяние, не сопровождающееся изменением частоты излучения. • Комбинационное рассеяние – это мгновенное неупругое рассеяние электромагнитного излучения на молекулах вещества, сопровождающееся изменением частоты излучения.

4. Спектроскопия комбинационного рассеяния • Спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) – эффективный метод химического и структурного анализа, основанный на регистрации спектрального состава изучения комбинационного рассеяния.

5. История открытия • В 1918 г. Мандельштам предсказал расщепление линии рэлеевского рассеяния вследствие рассеяния света на тепловых акустических волнах. • С 1926 г. Мандельштамом и Ландсбергом проводились экспериментальные исследования молекулярного рассеяния света в кристаллах. • В 1928 г. Раман и Кришнан обнаруживают линейчатый спектр вторичного излучения.

6. ИК и раман-спектроскопия • Правила отбора различны. • ИК спектры являются спектрами поглощения и связаны с переходами между колебательными уровнями молекулы. Спектры комбинационного рассеяния связаны с электронной поляризацией. • Выбор метода исследования зависит от природы материала – химического и минералогического состава, концентрации образца, агрегатного состояния.

7. Вид спектров КР

8. Эмпирические законы комбинационного рассеяния • Спектральные линии-спутники сопровождают каждую линию первичного излучения. • Сдвиг спутников по частоте характеризует рассеивающее вещество. • Спутники представляют собой две группы линий, расположенных симметрично относительно возбуждающей. • С увеличением температуры интенсивность фиолетовых спутников увеличивается.

9. Квантовомеханические представления о КР • Изменение частоты обусловлено переходами между колебательно-вращательными уровнями системы (молекулы, иона, кристаллической ячейки). • Молекула может как приобрести, так и потерять часть энергии. • Если молекула приобретает энергию ΔЕ, то фотон будет иметь меньшую энергию и частоту f–ΔE/h(стоксово рассеяние). В противном случае частота увеличивается (антистоксово рассеяние).

10. Квантовомеханические представления о КР

11. Параметры линий комбинационного рассеяния • Рамановский сдвиг. Равен частоте одного из колебательных процессов и определяет положение рассматриваемой линии по отношению к возбуждающей. Выражается в обратных сантиметрах. • Интенсивность. Характеризует эффективность комбинационного рассеяния. Выражается в условных единицах. • Ширина. Равна расстоянию между точками контура линии на половинной интенсивности. • Степень деполяризации. Определяется отношением интенсивностей рассеянного излучения двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации, одна из которых параллельна плоскости поляризации возбуждающего излучения.

12. Применения спектроскопии комбинационного рассеяния • Исследование фазовых переходов, кристаллизации в тверхой фазе. • Исследование аллотропных и полиморфных переходов. • Качественное и количественное исследование элементного, химического и минералогического состава.

13. Исследование химического и минералогического состава

14. Сложности приборной реализации • Основная трудность получения спектров интересующего вещества связана с малым квантовым выходом процесса. • Окрашенные образцы более склонны поглощать, а не рассеивать излучение. • Фотофлуоресценция (если она присуща образцу) «маскирует» слабые линии комбинационного рассеяния. • В оптически неоднородном кристалле «паразитный» свет подавляет линии комбинационного рассеяния.

15. Составляющие приборной реализации • Источник излучения возбуждения – должен иметь высокую степень монохроматичности и достаточную интенсивность. • Оптическая схема осветителя. • Спектральный прибор. • Фотоприемник и схема регистрации. Все оптические элементы должны характеризоваться минимальным количеством рассеянного (рэлеевского) излучения: требуется высокая чистота оптических элементов.

16. Приборная реализация

17. Достоинства комбинационной спектроскопии: • Относительная простота установки. • Высокая скорость получения информации (пробоподготовка минимальна). • Возможность получения информации «in situ» - непосредственно в условиях эксплуатации. • Широкий температурный интервал исследований. Спасибо за внимание!