Изучение спектров комбинационного рассеяния

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ

Цель работы: Изучить теоретические основы явления комбинационного рассеяния. Произвести качественный анализ молекулярного вещества по его спектру комбинационного рассеяния.

Сущность комбинационного рассеяния света согласно квантовой теории можно представить следующим образом. Пусть с молекулой, находящейся в основном колебательном состоянии Е₀, взаимодействует возбуждающий квант света с энергией . Величина кванта  значительно больше разности энергии между соседними колебательными уровнями молекулы. Часть энергии падающего кванта может пойти на возбуждение молекулы, вследствие чего она перейдет в более высокое энергетическое состояние Е₁, а остальная , большая часть, рассеется виде кванта света  (смотри рисунок 1а). В спектре рассеяния появляется красный (стоксовский сателлит) с частотой

.

В том случае, если возбуждающий квант света, взаимодействуя с молекулой, находящейся в возбужденном колебательном состоянии с энергией Е₁, то она может перейти в основное состояние с энергией Е₀ с передачей энергии рассеянному кванту света (рисунок 1b). Это ведет к образованию фиолетового (антистоксовского) сателлита с частотой

.

Рэлеевское рассеяние происходит в том случае, когда молекула в процессе рассеяния не изменяет своего первоначального энергетического состояния. Рассеянный квант света будет иметь ту же частоту , что и возбуждающий свет.

В результате спектр рассеяния имеет вид, схематически изображенный на рисунке 2. Величина   является колебательной частотой рассматриваемой молекулы.

Качественный анализ по спектрам комбинационного рассеяния (СКР) основан на том, что каждая молекула обладает собственными характерными (нормальными) колебаниями, которые проявляются в виде отдельных линий с определенной частотой и интенсивностью. При этом спектр смеси нескольких веществ представляет собой простое положение спектров составляющих компонентов.  Измерив частоты и интенсивности линий, можно определить вещество (или смесь веществ), которому принадлежит СКР, если сравнить полученные данные со спектрами известных веществ. Для проведения качественного анализа достаточно приблизительно оценить интенсивность линий.

          Для анализа по спектрам КР необходимо выбирать наиболее интенсивные линии комбинационного рассеяния, а для возбуждения спектра рассеяния – достаточно мощный источник света с монохроматическим излучением. Для этих целей наиболее удобным источником света является ртутная лампа. Ее спектр состоит из ярких широко расположенных в спектре линий (см. атлас спектральных линий ртути). При возбуждении КР каждая ртутная линия сопровождается своими сателлитами. Однако, вследствие того, что колебательные частоты молекул занимают сравнительно узкую спектральную область в несколько сотен см^-1 , СКР от различных возбуждающих линий обычно не перекрываются между собой. В том случае, когда такое перекрытие имеет место, используют соответствующие абсорбционные фильтры, которые располагают между источником света и кюветой с рассеивающим веществом. Фильтр выделяет из спектра ртутной лампы какую-нибудь одну возбуждающую линию, устраняя тем самым мешающие линии на СКР.

          Обычно в качестве возбуждающей используют линию   нм. Эта линия интенсивна и вблизи нее в широкой спектральной области нет мешающих ртутных линий.

          Ртутная лампа ПРК-2, помещенная в одном из фокусов эллиптического зеркального цилиндра, посылает лучи на кювету с исследуемым веществом, расположенную во втором его фокусе. Такая форма осветителя позволяет более эффективно использовать световой поток возбуждающего источника света. Рассеянный свет поступает в спектрограф ИСП-51 под прямым углом к возбуждающему потоку. Во время работы лампы ПРК-2 осветитель непрерывно охлаждается водой, циркулирующей в полости между его внутренней и наружной стенками. Внутренняя хромированная стенка осветителя выполняет роль зеркала. Вода протекает также через тепловой фильтр, который представляет собой металлическую рамку со стеклянными стенками, помещенную между лампой ПРК-2 и кюветой с веществом. Эти приспособления предохраняют исследуемое вещество от нагревания. Между тепловым фильтром и кюветой с исследуемым веществом помещается оптический фильтр для того, чтобы выделить из спектра ртутной лампы нужную монохроматическую линию. Рассеянный исследуемым веществом свет направляется конденсорной линзой в спектрограф ИСП-51. Пройдя его входную щель, расположенную в фокусе коллиматорного объектива, и коллиматорный объектив, свет параллельным пучком попадает в диспергирующую часть спектрографа, состоящую из трех стеклянных призм. Призменная система пространственно разделяет пучки света с разными длинами волн. Эти пучки направляются на фотопластинку под разными углами. С помощью камерного объектива каждый из них фокусируется на фотопластинке в виде узкой спектральной линии.

          Для проведения качественного анализа необходимо определить колебательные частоты молекул ν_кi линий комбинационного рассеяния. Спектром сравнения, при помощи которого расшифровывается полученная спектрограмма, может быть спектр железа либо ртути. В этом случае в непосредственной близости от спектра комбинационного рассеяния «встык» с ним регистрируется спектр сравнения. Кроме того спектр ртути необходим для расшифровки спектра КР, поскольку сравнение этого спектра со спектром КР вещества сразу позволяет обнаружить дополнительные линии, принадлежащие комбинационному рассеянию света исследуемым веществом.