PHỔ RAMAN, VẬT LÝ ỨNG DỤNG, CHUYÊN NGHÀNH, QUANG HỌC
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC GVHD: TS. NGUYỄN VĂN ĐỊNH HV: LÊ PHÚC QUÝ PHỔ RAMAN CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CƠ BẢN 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman 1.2. Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử 1.3. Dao động của phân tử hai nguyên tử 1.4. Nguồn gốc của phổ Raman Chandrasekhara Venkata Raman sinh ngày 7 tháng 11 năm 1888 tại Trichinopoly ở phía Nam Ấn Độ.Cha ông là một giảng viên Toán học và Vật lý Năm 1902 :học Cao đẳng Thống đốc (Presidency College) ở Madras Năm 1904, ông trải qua kỳ thi tốt nghiệp đại học, đỗ thủ khoa và nhận Huy chương Vàng Vật lý.Năm 1907 ông đạt được học vị thạc sĩ. Năm 1907 Raman đến làm việc tại Cục Tài chính Ấn Độ (Indian finace Department). Năm 1917, ông là giáo sư Vật lý tại Đại học Calcutta Năm 1922, ông công bố công trình của mình về “Sự nhiễu xạ ánh sáng của các phân tử”. Các nghiên cứu này cuối cùng dẫn đến phát minh của ông vào ngày 28 tháng 02 năm 1928 về hiệu ứng bức xạ mà nó mang tên ông. Chính phát minh này đưa ông đến giải Nobel Vật lý năm 1930. Venkata Raman (1888-1970) Giải Nobel Vật lý năm 1930 do những công trình về tán xạ ánh sáng và do phát minh ra hiệu ứng mang tên ông. 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman • Một số đề tài nghiên cứu của Raman: - Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về sự nhiễu xạ ánh sáng bởi các sóng âm có tần số siêu âm và quá thanh. - Các hiệu ứng sinh ra bởi các tia X lên các dao động hồng ngoại trong các tinh thể bị chiếu bởi ánh sáng thông thường. - Quang học của chất keo, tính bất đẳng hướng điện và từ, sinh lý học của thị giác người. 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman 1928: Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman. kính viễn vọng làm collector A/s mặt trời làm nguồn kích thích detector là đôi mắt của ông 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman Nguồn sáng đèn Helium, Bismuth, Chì, Kẽm… 1930: đèn thủy ngân 1962: laser Ar+ (351,l - 514,5 nm),K r+ (337,4 - 676,4 nm) sau này, laser Nd-YAG(1064nm) Detector 1950: xuất hiện ống nhân quang kính ảnh 1942 : dùng nhân quang điện với detector RCA IP21 1953: kết hợp ống nhân quang với detector quang điện 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman Sau này, để tăng cương hơn nữa hiệu suất loại trừ ánh sáng nhiễu sử dụng máy đơn sắc ba kết hợp cách tử toàn ký tăng hiệu suất thu nhận ánh sáng tán xạ Raman 1960, bắt đầu chú trọng nghiên cứu hệ thống quang học cho quang phổ Raman. Sử dụng máy đơn sắc đôi cho các thiết bị phổ Raman thay cho máy đơn sắc đơn Ngày nay, bằng phương pháp biến đổi Fourier (gọi tắt là FT-Raman) để thu phổ Raman 1.2. Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử • Eo biên độ của bức xạ. vtEE o π 2cos = y x z bao gồm thành phần điện E và thành phần từ H vuông góc với nhau. Cường độ điện trương (E) tại thời điểm t được cho bởi : Xét một bức xạ sóng điện từ phân cực truyền theo phương z • Tần số (Hz, s-1). λ ν λ ν c = v ~ Số sóng (cm-1) c: vận tốc ánh sáng (c= 3.1010 cm/s). : Bước sóng (cm) 1 v c ν λ = = % (1-1) vhc c hhvEEE ~ 12 ===−=∆ λ Đơn vị của E: J, erg, cal, eV h = 6.62.10-27 erg s = 6.62.10-34 J s = 4.13.10-15 eV s 1 erg= 10-7 J; 1calo = 4,18J; 1eV= 1,6.10-19 J. E 2 E 1 Hấp thu ΔE E 2 E 1 ΔE Phát xạ 1.2. Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử Trường điện từ tương tác với phân tử. sự truyền năng lượng của trường cho phân tử điều kiện Bohr về tần số vhc c hhvE ~ ===∆ λ trong đó ∆ ΔE là hiệu số năng lượng giữa hai trạng thái lượng tử h là hằng số planck 1.2. Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử Hình 1-2: Đơn vị năng lượng của các vùng phổ khác nhau ∆E phụ thuộc nguồn gốc của sự dịch chuyển. [Ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến sự dịch chuyển dao động mà chúng có thể quan sát được trong vùng hồng ngoại (IR) hoặc phổ Raman]. Những dịch chuyển này xuất hiện trong vùng 104 ~ 102 cm- 1 và chúng được tạo ra do sự dao động của các hạt nhân cấu tạo nên phân tử. [...]... trong vùng phổ hồng ngoại (IR) và phổ Raman Điều này có thể được giải thích bằng định luật phân bố MaxwellBoltzmann Định luật này cho rằng tỷ số giữa mật độ của trạng thái v = 1 và trạng thi v = 0 có dạng như sau: phân bố Maxwell – Boltzman: Pn =1 − ∆E / kT =e Pn =0 1.4 Nguồn gốc phổ Raman Như ta biết, các dịch chuyển dao động có thể quan sát được trong vùng phổ IR hoặc phổ Raman Trong phổ IR, ta có... ε cd Độ truyền qua Độ hấp thu IR I0(V) Raman I0 cường độ của chùm ánh sang tới I cường độ chùm ánh sang truyền qua ε là hệ số hấp thụ phân tử c nồng độ của mẫu d bề rộng của mẫu T (%) = I 100 I0 A = log I = ε cd I0 Mẫu I(V) (laser) Mẫu ν0 ν 0 ±ν m Tán xạ Raman Tán xạ Rayleigh 1.4 Nguồn gốc phổ Raman Nguồn gốc phổ Raman khác đáng kể so với phổ IR Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser... giống với tần số chùm tia tới ♫ Tán xạ Raman, rất yếu (~10-5 chùm tia tới), có tần số (υ0 ± υm) trong đó là tần số υm dao động phân tử Vạch được gọi là vạch Stockes (υ0 - υm) và vạch gọi là vạch phản Stockes (υ0 + υm) Do đó, trong quang phổ Raman, chúng ta đo tần số dao động (υm ) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới (υ0 ) Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng UV-Vis mà ở... người ta chỉ đo phần phổ Stockes Tán xạ Raman cộng hưởng (RR) xảy ra khi vạch kích thích được chọn sao cho mức năng lượng của nó nằm trên vùng kích thích điện tử Ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn, các mức dao động được mở rộng tạo nên một vùng liên tục Ở trạng thái khí, một vùng liên tục nằm trên một chuỗi các mức gián đoạn Hình 1.8: So sánh các mức năng lượng của phổ Raman thường ,Raman cộng hưởng và...1.2 Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử năng lượng điểm không Phổ Raman quan hệ rất mật 1 thiết với các dịch chuyển điện tử Do đó, chúng ta cần phải biết sự liên hệ Trạng thái kích giữa các trạng thái điện tử và dao V=0 thích điện tử động Mặt khác, phổ dao động của các phân tử nhỏ ở trạng thái khí thể Dịch truyển điện hiện những cấu trúc... ∂q 0 1 ∂α P = α0 E0 cos 2π v0t + ÷ q0 E0 [ cos 2π (v0 + vm )t + cos 2π (v0 − vm )t ] 2 ∂q 0 Vạch Rayleigh Vạch phản Stocke Vạch Stocke 1.4 Nguồn gốc phổ Raman Trong phổ IR, dịch chuyển v = 01 ở trạng thái cơ bản của điện tử Tán xạ Raman bình thường, vạch kích thích (υ0 ) được chọn sao cho năng lượng của nó là thấp hơn nhiều so với trạng thái kích thích của điện Theo tử định luật phân bố... Rotational quantum number 1.2 Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử Loại phổ Vùng phổ Nguồn gốc % ν (cm −1 ) Tia γ 1010 - 108 Sự sắp xếp lại của các hạt cơ bản trong hạt nhân Tia X 108 - 106 Sự chuyển mức năng lượng của các điện tử bên trong nguyên tử phân tử Tử ngoại Khả kiến 106 - 104 Sự chuyển mức năng lượng của các điện tử hóa trị của nguyên tử và phân tử Raman và hồng ngoại 104 - 102 Sự chuyển mức dao... liên tục Ở trạng thái khí, một vùng liên tục nằm trên một chuỗi các mức gián đoạn Hình 1.8: So sánh các mức năng lượng của phổ Raman thường ,Raman cộng hưởng và huỳnh quang cộng hưởng 1.4 Nguồn gốc phổ Raman Phổ Raman của CCl4 với bước sóng kích thích 448nm ... động (υm ) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới (υ0 ) Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng UV-Vis mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất hiện 1.4 Nguồn gốc phổ Raman Giải thích theo lý thuyết cổ điển Cường độ điện trường của chùm sáng kích thích : E = E0 cos 2π v0t Momen lưỡng cực : P = α E = α E0 cos 2π v0t q = q0 cos 2π vmt Nếu phân tử dđ... 1.6 Đường cong thế năng của phân tử hai nguyên tử Đường liền nét là thế Morse Đường đứt nét là thế parabol của dao động tử điều hòa De là năng lượng phân ly lý thuyết và Do là năng lượng phân ly quang phổ 1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử Nếu phương trình Schrodinger được giải với hàm thế Morse này thì các giá trị riêng sẽ có dạng: Ev = hcωe (n + 1 / 2) − hcχ eωe (n + 1 / 2) 2 + Trong đó: ωe . QUÝ PHỔ RAMAN CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CƠ BẢN 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman 1.2. Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử 1.3. Dao động của phân tử hai nguyên tử 1.4. Nguồn gốc của phổ Raman Chandrasekhara. học cho quang phổ Raman. Sử dụng máy đơn sắc đôi cho các thiết bị phổ Raman thay cho máy đơn sắc đơn Ngày nay, bằng phương pháp biến đổi Fourier (gọi tắt là FT -Raman) để thu phổ Raman 1.2. Các. quang phổ học Raman 1928: Raman phát hiện ra hiện tượng tán xạ Raman. kính viễn vọng làm collector A/s mặt trời làm nguồn kích thích detector là đôi mắt của ông 1.1. Lịch sử quang phổ học Raman Nguồn