Курсовая работа комбинационное рассеяние света монокристаллами и твердыми растворами

ВВЕДЕНИЕ

Спектроскопия комбинационного рассеяния света (в иностранной литературе обозначается термином «рамановская» спектроскопия) – является важным разделом оптической спектроскопии, в котором изучается взаимодействие монохроматического излучения с веществом, сопровождающееся изменением энергии рассеянного излучения по сравнению с энергией падающего на объект (возбуждающего) излучения. Комбинационное рассеяние (КР) обусловлено неупругими столкновениями фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергией.

Комбинационное рассеяние света (КРС) – рассеяние в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся заметным изменением частоты. В отличие от рэлеевского рассеяния света, при КРС в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре первичного (возбуждающего) света.

Число и расположение появляющихся линий (называемых комбинационными линиями или спутниками) определяется молекулярным строением вещества. КРС было открыто Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в 1928 г. при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях.

Целью данной курсовой работы является выполнение подробного обзора явления комбинационного рассеяния света при помощи теоретического материала и самостоятельных наблюдений.

1. 
   Комбинационное рассеяние света
   

1. 
   Классическое рассмотрение КРС
   

Рассеянием света называется явление, заключающееся в том, что взаимодействие среды со световым пучком приводит к появлению электромагнитного излучения того же или иного спектрального состава в направлениях, отличающихся от первоначального. Это определение подходит и для фотолюминесценции, но фотолюминесценцию обычно связывают с поглощением падающего светового кванта и последующим излучением другого светового кванта, соответствующего оптическому переходу между реальными электронными уровнями системы. Рассеяние же имеет место и в том случае, когда световой квант попадает в область оптической прозрачности среды и не может перевести систему на более высоколежащий реальный уровень. Спектрально рассеяние “привязано” к возбуждающей линии, тогда как люминесценция, как уже говорилось, определяется собственными уровнями энергии системы. Рассеяние электромагнитной волны без изменения ее частоты изучалось Р. Релеем, и называется релеевским.

Если на среду падает электромагнитная волна c частотой и электрическим вектором , то под действием этой волны в системе индуцируется дипольный момент

, (1)

где – тензор поляризуемости системы. Важным является тот факт, что поляризуемость молекулы (кристалла) периодически меняется во времени с частотами собственных колебаний молекулы (кристалла), поскольку поляризуемость в определенный момент времени зависит от соответствующего этому моменту расположения атомов друг относительно друга.

Спектроскопия комбинационного рассеяния широко используется в разных областях науки и техники как аналитический метод. Спектры комбинационного рассеяния позволяют судить о структуре и фазовом составе объекта, не повреждая исследуемый образец [1].

Спектры КРС каждого соединения настолько специфичны, что могут служить для идентификации этого соединения и обнаружения его в смесях. Качественный и количественный анализ по спектрам КРС широко применяют в аналитической практике, особенно при анализе смесей углеводородов. Спектры комбинационного рассеяния весьма эффективны для идентификации самых разнообразных продуктов и материалов как органической (рисунок 1), так и неорганической (рисунок 2) природы.

Рисунок 1 – Спектры комбинационного рассеяния продуктов органической природы: а – бензин разной марки; б – масло различного происхождения

Рисунок 2 – Спектры комбинационного рассеяния природного индийского алмаза (а), стеклоуглерода (б), алмазоподобной плёнки (в) и алмазного порошка (г).

Частоты, на которых располагаются линии спектра рассеянного света, являются «комбинациями» частоты падающего света и частоты фонона ω. Из-за этого рассеяние и называется комбинационным.

Рисунок – 3 Соотношение амплитуд стоксова и антистоксова пиков

• Сдвиг частоты ω. Это основной параметр, характеризующий исследуемое вещество. Сдвиг равен частоте одного из возбуждений в рассеивающей среде.

• Интенсивность линии (высота или интегральная интенсивность). Характеризует эффективность рассеяния на данном колебательном процессе

• Ширина линии. Этот параметр измеряется неточно из-за конечного разрешения спектрального аппарата, конечной ширины возбуждающей линии

• Степень деполяризации рассеянного излучения. Это отношение интенсивностей двух поляризаций рассеянного излучения. Характеризует анизотропию исследуемого объекта.