PHỔ RAMAN, VẬT LÝ ỨNG DỤNG, CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC

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 lýNăm 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

A/s mặt trời làm nguồn kích thích

detector là đôi mắt của ông

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.

vt E

y

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

v hc

c h hv E

1 erg= 10-7 J; 1calo = 4,18J; 1eV= 1,6.10-19 J.

E2

E1

Hấp thuΔE

E2

E1

ΔE Phát xạ

1.2 Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử

Trường điện từ tương

tác với phân tử điều kiện Bohr về tần số sự truyền năng lượng của trường cho phân tử

v hc

c h hv

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

1.2 Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử

Dịch truyển điện

tử thuần khuyết

Trạng thái kích thích điện tử

Trạng thái cơ bản điện tử

1

Dịch chuyển quay thuần khuyết

năng lượng điểm không

năng lượng điểm không

Dao động quay thuần khuyết

V=0

1 2 3 4

đó, chúng ta cần phải biết sự liên hệ giữa các trạng thái điện tử và dao động.

Mặt khác, phổ dao động của các phân tử nhỏ ở trạng thái khí thể hiện những cấu trúc quay tinh tế Cho nên, chúng ta cũng cần phải biết

sự liên hệ giữa các trạng thái dao động và quay.

Hình 1-3 mô tả ba loại dịch chuyển của phân tử hai nguyên tử.

1.2 Các đơn vị năng lượng và phổ phân tử

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

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

m1

m2C.G

r1 + r2 là khoảng cách cân bằng

x1 và x2 là độ dịch chuyển của nguyên tử 1 và nguyên tử 2 tính từ vị trí cân bằng

Do sự bảo toàn khối tâm, cần phải có các mối liên hệ sau:

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

2 2

2 2 2

2

2 1

1 2

1 2 1

m

m m

-Kx

m

m m

-Kx

dt

x d m

dt

x d m

2 1

2 1

m m

m

m

+

=µ

2

1 x x

q = +

Kq dt

q d

−

=

2

2µ

khối lượng rút gọn

2 2 2 2

1 2 2 1

x d m m

m

m

) 2

= q v t

µπ

(1-20)

• Năng lượng E:

) 2

( cos

2 2

2

ϕ π

µ π

( sin

2 2

ϕ π

v T

V

E = + = 2 o2 o2 =

2 π µ

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

Hình 1.4 Biểu đồ thế năng của một dao động tử điều hòa

• Thế năng V:

• Động năng T:

Kqdq fdq

= q v t

Với:

Theo cơ lượng tử

( ) q H

e

q n

! 2

) / ( 1/4 −

=

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

0 2

1

2

2 2

1

n v hc n

hv

Ev

µ π

µ π

K c

v hay

K v

2

1

~

2

1

=

=

h v h

2 2

2

với điều kiện phải là đơn trị, hữu hạn, liên tục thì

Tuy nhiên, có một vài điểm khác nhau :

Một là, CH cổ điển thì năng lượng E = 0 khi q = 0.

CH lượng tử trạng thi năng lượng thấp nhất (v = 0) có

K

v =

µ π

Đối với một dao động tử điều hòa

khoảng cách giữa 2 mức liên

tiếp luôn bằng nhau và bằng hv

Trong thực tế, điều này không hoàn

toàn đúng đối với phân tử bởi vì thế

năng của nó không có dạng hoàn

toàn parabol mà một cách gần đúng

được mô tả bởi hàm thế Morse, có

) 1

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

Hình 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

) 2 / 1 (

) 2 / 1

cho tính phi điều hòa

Pt (1-30) các mức năng lượng của

dao động tử phi điều hòa không còn

cách đều nhau nữa, khoảng cách giữa

các mức giảm khi v tăng

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:

(1.30)

Hình 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

phân bố Maxwell – Boltzman:

kT E n

1.3 Dao động của phân tử hai nguyên tử

Theo cơ học lượng tử:

đối với một dao động tử điều hòa , các dịch chuyển chỉ có thể xảy

ra khi chúng thỏa mãn điều kiện Δv = ±1.

Tuy nhiên, đối với dao động phi điều hòa thì các dịch chuyển thoả

mãn Δv = ±2, ±3, (các họa tần) cùng thõa mãn quy tắc lựa

chọn.

Trong các dịch chuyển thoả mãn Δv = ±1 thì dịch chuyển ứng với

v = 0 <-> 1 (được gọi dịch chuyển cơ bản) sẽ xuất hiện rất mạnh

trong vùng phổ hồng ngoại (IR) và phổ Raman.

Điều này có thể được giải thích bằng định luật phân bố Maxwell- Boltzmann Định luật này cho rằng tỷ số giữa mật độ của trạng thái

v = 1 và trạng thi v = 0 có dạng như sau:

1.4 Nguồn gốc phổ Raman

0

cd

I = I e−ε

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 thể đo được sự hấp thụ ánh sáng

hồng ngoại của mẫu như là một hàm của tần số

Phân tử hấp thu năng lượng từ nguồn IR

tại mỗi dịch chuyển dao động Cường độ hấp thụ IR

được xác định bởi định luật Lambert-Beer

E hv

∆ =

I0 cường độ của chùm ánh sang tới

I cường độ chùm ánh sang truyền qua

1.4 Nguồn gốc phổ Raman

Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi

chùm laser cường độ mạnh trong vùng UV-Visible

(UV- visible: 200 - 800 nm)

0 νNguồn gốc phổ Raman khác đáng kể so với phổ IR

Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại :

♪ Tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số (υ0 )

giống với tần số chùm tia tới

♫ Tán xạ Raman, rất yếu (~10-5 chùm tia tới),

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

được chọn sao cho năng lượng của nó là thấp

hơn nhiều so với trạng thái kích thích của điện

tử

Theo định luật phân bố Maxwell-Boltzmann

mật độ phân tử ở trạng thái v=0 là lớn hơn

rất nhiều ở trạng thái v=1

 Do đó, ở điều kiện thường các vạch

Stockes (S) mạnh hơn vạch phản Stockes

(A) Do cả hai đều cho thông tin giống nhau,

nên người ta chỉ đo phần phổ Stockes.

Trong phổ IR, dịch chuyển v = 01 ở

trạng thái cơ bản của điện tử.

Hình 1.8: So sánh các mức năng lượng của

phổ Raman thường,Raman cộng hưởng và

huỳnh quang cộng hưởng

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

Phổ Raman của CCl4 với bước sóng kích thích 448nm

1.4 Nguồn gốc phổ Raman