Spektrometria wykorzystująca rozpraszanie ramanowskie światła

Prezentacja na temat: "Spektrometria wykorzystująca rozpraszanie ramanowskie światła"— Zapis prezentacji:

1 Spektrometria wykorzystująca rozpraszanie ramanowskie światła
Raman Scattering B. Augustyniak

2 Plan wykładu Oddziaływania światła z materią
Rozpraszanie Rayleigha, Brillouina i Ramana Przykłady aparatów Przykłady wyników B. Augustyniak

3 Jak światło oddziałuje z materią ?
Oddziaływanie fali – fotonu na atom. B. Augustyniak

4 Jak światło oddziałuje z materią ?
Oddziaływanie fali – fotonu na atom lub cząsteczkę. B. Augustyniak

5 Rozpraszanie światła – podstawowe podziały
Charakter rozpraszania na cząstkach zależy od ilorazu długości fali i wymiaru cząstki. Jeśli wymiar cząstki D < ≈ (1/15)λ mówimy o rozpraszaniu Rayleigha ( ). W przypadku większych cząstek mówi się o rozpraszaniu Mie ( ); Rozpraszanie na falach ultradźwiękowych: generowana jest harmoniczna zmiana właściwości (niejednorodności) optycznych w przestrzeni i czasie. w pierwszym przypadku – dyfrakcja na fali akustycznej; w drugim przypadku – zmiana częstotliwości ugiętego światła w każdym punkcie ośrodka. Te zmianę częstotliwości światła ugiętego przez falę akustyczną nazywa się rozpraszaniem Brillouina ( ); Kwantowe właściwości molekuł widoczne są w rozpraszaniu Ramana ( ): zmiana częstotliwości rozproszonego światła w stosunku do częstotliwości światła padającego zależy od struktury widma energetycznego molekuły. B. Augustyniak

6 Rozpraszanie światła na molekułach - ogólnie
Schemat eksperymentu: światło ‘przechodząc’ przez próbkę może: zmienić kąt oraz zmienić lub nie zmienić częstotliwość Rozpraszanie elastyczne (w’ = wo ) 1. Rayleigh’a 2. Rozpraszanie nieelastyczne (w’ ≠ wo ) 2a) Brilloiuna 2b) Ramana B. Augustyniak Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

7 Schemat zmian energii fotonu i ‘molekuły’
B. Augustyniak

8 Rozpraszanie światła – model klasyczny
Fala świetlna – fala elektromagnetyczna (FEM) Oddziaływanie FEM z atomem – wymuszone oscylacje elektronów Oscylacje elektronów -> generacja fali (retransmisja) o tej samej częstości Rozpraszanie FEM – zmiana kierunku propagacji fali elektromagnetycznej B. Augustyniak

9 Rozpraszanie Rayleigha - podstawy
Rozkład kątowy natężenia B. Augustyniak

10 Rozpraszanie Rayleigha - skutki
DZIEŃ WIECZÓR B. Augustyniak

11 Rozpraszanie Ramana Jeśli na substancję pada promieniowanie może ono zostać pochłonięte wtedy kiedy energia fotonu pasuje do różnicy poziomów energetycznych molekuły. Mimo to promieniowanie może oddziaływać z molekułą w ten sposób, że ulegnie rozproszeniu we wszystkich kierunkach w przestrzeni. I chociaż fotony nie są absorbowane, to są one z biegnącej w określonym kierunku wiązki rozpraszane w przestrzeń. W promieniowaniu rozproszonym znajdują się obok fotonów o częstości równej promieniowaniu padającemu, również fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego.

12 Sir Chandrasekhara Venkata Raman ( ), profesor Uniwersytetu w Kalkucie, uzyskał nagrodę Nobla w 1930 roku za prace nad rozpraszaniem światła i odkrycie zjawiska, które nazwane zostało jego nazwiskiem. His father was a lecturer in mathematics and physics, so he had an academic atmosphere at home. In 1907, C.V. Raman passed his M.A. obtaining the highest distinctions. Raman joined the Indian Finance Department in After his office hours, he carried out his experimental research in the laboratory of the Indian Association for the Cultivation of Science at Calcutta. He carried out research in acoustics and optics. In 1917, Raman was offered the position of Professorship of Physics at Calcutta University. During his tenure there, he received world wide recognition for his work in optics and scattering of light. He was elected to the Royal Society of London in 1924 and the British made him a knight of the British Empire in 1929. Jeśli na substancję pada promieniowanie może ono zostać pochłonięte wtedy kiedy energia fotonu pasuje do różnicy poziomów energetycznych molekuły. Mimo to promieniowanie może oddziaływać z molekułą w ten sposób, że ulegnie rozproszeniu we wszystkich kierunkach w przestrzeni. I chociaż fotony nie są absorbowane, to są one z biegnącej w określonym kierunku wiązki rozpraszane w przestrzeń. W promieniowaniu rozproszonym znajdują się obok fotonów o częstości równej promieniowaniu padającemu, również fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego. wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html/

13 Nagroda Nobla Ramana On February 28, 1928, through his experiments on the scattering of light, he discovered the Raman effect. It was instantly clear that this discovery was an important one. It gave further proof of the quantum nature of light. Raman spectroscopy came to be based on this phenomenon, and Ernest Rutherford referred to it in his presidential address to the Royal Society in Raman was president of the 16th session of the Indian Science Congress in He was conferred a knighthood, and medals and honorary doctorates by various universities. Raman was confident of winning the Nobel Prize in Physics as well, and was disappointed when the Nobel Prize went to Richardson in 1928 and to de Broglie in He was so confident of winning the prize in 1930 that he booked tickets in July, even though the awards were to be announced in November, and would scan each day's newspaper for announcement of the prize, tossing it away if it did not carry the news. He did eventually win the 1930 Nobel Prize in Physics "for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him”. He was the first Asian and first non-White to receive any Nobel Prize in the sciences.. Jeśli na substancję pada promieniowanie może ono zostać pochłonięte wtedy kiedy energia fotonu pasuje do różnicy poziomów energetycznych molekuły. Mimo to promieniowanie może oddziaływać z molekułą w ten sposób, że ulegnie rozproszeniu we wszystkich kierunkach w przestrzeni. I chociaż fotony nie są absorbowane, to są one z biegnącej w określonym kierunku wiązki rozpraszane w przestrzeń. W promieniowaniu rozproszonym znajdują się obok fotonów o częstości równej promieniowaniu padającemu, również fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego.

14 Raman po nagrodzie Nobla
In 1934, C.V. Raman became the director of the newly established Indian Institute of Sciences in Bangalore, where two years later he continued as a professor of physics. Other investigations carried out by Raman were: - his experimental and theoretical studies on the diffraction of light by acoustic waves of ultrasonic and hypersonic frequencies (published ), effects produced by X-rays on infrared vibrations in crystals exposed to ordinary light. He retired from the Indian Institute in 1948 and a year later he established the Raman Research Institute in Bangalore, where he worked till his death. Jeśli na substancję pada promieniowanie może ono zostać pochłonięte wtedy kiedy energia fotonu pasuje do różnicy poziomów energetycznych molekuły. Mimo to promieniowanie może oddziaływać z molekułą w ten sposób, że ulegnie rozproszeniu we wszystkich kierunkach w przestrzeni. I chociaż fotony nie są absorbowane, to są one z biegnącej w określonym kierunku wiązki rozpraszane w przestrzeń. W promieniowaniu rozproszonym znajdują się obok fotonów o częstości równej promieniowaniu padającemu, również fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego.

15 Raman - człowiek Sir C.V. Raman explains a point to a group of scientists Jeśli na substancję pada promieniowanie może ono zostać pochłonięte wtedy kiedy energia fotonu pasuje do różnicy poziomów energetycznych molekuły. Mimo to promieniowanie może oddziaływać z molekułą w ten sposób, że ulegnie rozproszeniu we wszystkich kierunkach w przestrzeni. I chociaż fotony nie są absorbowane, to są one z biegnącej w określonym kierunku wiązki rozpraszane w przestrzeń. W promieniowaniu rozproszonym znajdują się obok fotonów o częstości równej promieniowaniu padającemu, również fotony o częstościach różnych od częstości promieniowania padającego. Raman był pierwszym Hindusem urodzonym i wykształconym w Indiach, który otrzymał Nagrodę Nobla. Jego bratankiem był inny noblista z dziedziny fizyki (z 1983 r.) – Subramanyan Chandrasekhar ( ).Był całkowitym abstynentem, kiedy w czasie przyjęcia po otrzymaniu Nagrody Nobla wzniesiono na jego cześć toast, miał podobno powiedzieć – "Sir, widział pan efekt Ramana w alkoholu, proszę nie próbować zobaczyć efektu alkoholu w Ramanie!„. wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

16 Rozpraszanie ramanowskie
wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

17 Rodzaje pasm obserwowanych w widmie Ramana
Pasma Rayleigha - powstające na skutek oddziaływania fotonów padającego promieniowania o częstości ν0, nie pasujących do poziomów energetycznych cząsteczki. Gdy molekuła po oddziaływaniu z promieniowaniem powraca na ten sam poziom energetyczny, to zjawisko to sprowadza się do klasycznego rozproszenia Rayleigha. Pasma stokesowskie - gdy cząsteczka po oddziaływaniu z promieniowaniem przenosi się na wyższy poziom oscylacyjny i rozproszony foton ma energię mniejszą o różnicę energii poziomów oscylacyjnych hν. Pasma antystokesowskie - jeśli przed oddziaływaniem z promieniowaniem molekuła znajdowała się na wzbudzonym poziomie oscylacyjnym, to oddziaływanie przenosi ją na podstawowy (zerowy) poziom oscylacyjny. Energia rozproszonego fotonu jest większa o różnicę energii poziomów oscylacyjnych hν. Pasmo antystokesowskie pojawia się w widmie Ramana po przeciwnej stronie co pasmo stokesowskie w stosunku do pasma Rayleigha. Pasmo to ma zwykle niższą intensywność niż pasma stokesowskie. wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

18 Zmiana energii w rozpraszaniu Ramana

19 Rozpraszanie Ramana opis ilościowy

20 Rozpraszanie Ramana – podstawy
Do wyzwolenia zwykłego zjawiska Ramana wystarczy kwant promieniowania o danej energii (nie musi być zgodna z różnicą poziomów energii drgań molekuły). Różnica energii fotonu przed i po rozproszeniu jest RÓWNA różnicy energii poziomów energetycznych

21 Rozpraszanie Ramana a polaryzacja elektryczna
Pole elektryczne fali EM powoduje przesunięcie elektronów w stosunku do jąder. Powstaje moment elektryczny p, proporcjonalne do natężenia pola E fali EM o pulsacji ω. Współczynnik a - polaryzowalność Polaryzowalność doznaje oscylacji od pulsacji jąder (pulsacja Ωn) . Wypadkowa oscylacja: Stokesowski anty-Stokesowski Emisja fali o trzech częstościach

22 Rozpraszanie Ramana a DRGANIA CZASTEK
Polaryzowalność jest tensorem i jest zmienna ! Q – współrzędna określająca zmianę położenia jąder względem położenia równowagi (drgania cieplne, fonony) Natężenie promieniowania rozproszonego Ramanowsko od ciała o polaryzowalności aij : no – pulsacja fali, n – pulsacja jąder gn - stopień degradacji UWAGA: musi być spełniony warunek: Tylko drgania, które powodują zmianę polaryzowalności cząstki wytwarzają sygnał Ramanowski Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

23 Rozpraszanie Na FONONACH
Krzywe dyspersji fononów ‘optycznych’ – O i ‘akustycznych’ – A z pokazanymi liniami dla drgań podłużnych (L) i poprzecznych (T) UWAGA: mogą być obserwowane fonony tylko o małym wektorze falowym (energii) Schemat widma ze wskazaniem czterech fononów Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

24 Rozpraszanie w zapisie kwantowym
Rozpraszanie – zderzenie kwantu światła o pędzie ko z kwasi cząstką o pędzie k . Po zderzeniu – foton ma pęd k’ Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

25 Przykład widma ramanowskiego dla CCl4
maksimum rozpraszania Rayleigha (duże natężenie, długość fali taka sama jak długość fali wzbudzającej), szeregu maksimum stokesowskich (niższe częstotliwości, większe długości fali), szeregu maksimów antystokesowskich (wyższe częstotliwości, mniejsze długości fali). UWAGA: przesunięcie ramanowskie rzędu 1/100 wartości no !!! wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

26 Widmo ramanowskie dla benzenu
Cząsteczka benzenu i jej oscylacje -> widmo ramanowskie Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

27 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

28 Oscylacje CO2 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

29 Widmo IR i Ramana CO2 667 2349 1343 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

30 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

31 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

32 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

33 oscylacyjnych wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

34 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

35 wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

36 Aparatura służąca do badania efektu Ramana

37 Aparatura efektu Ramana (1)
. Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

38 Aparatura efektu Ramana (2)

39 Aparatura efektu Ramana (3)

40 Aparatura efektu Ramana (4)

41 Aparatura efektu Ramana (5)

42 Aparatura efektu Ramana (6)

43 Przykłady wykorzystania efektu Ramana (1)

44 Przykłady wykorzystania efektu Ramana

45 Examination of multilayer paint coats by the use of infrared, Raman and XRF spectroscopy for forensic purposes Infrared microspectrometry and Raman spectroscopy have been applied for examination of multilayer fragments of paints, for criminalisctic purposes. The study showed that under the conditions used, Raman spectra in the visible range (633 nm) provided data on the pigments but gave little or no information about polymers. Infrared (a) and Raman (b) spectra of examined samples. Journal of Molecular Structure 792–793 (2006) 286–292

46 Raman spectroscopy of carbon dust samples from NSTX
The Raman spectrum of dust particles exposed to the NSTX plasma is different from the spectrum of unexposed particles scraped from an unused graphite tile. For the unexposed particles, the high energy G-mode peak (Raman shift cm1) is much stronger than the defect-induced D-mode peak (Raman shift cm1), Journal of Nuclear Materials 375 (2008) 365–369

47 Raman spectroscopy of blood samples for forensic applications
Raman scattering from fresh and dry blood. (a) Blood analyzed immediately after being drawn from a donor. (b) Blood stored in an EDTA container and stored at 4 C for at least one week. The excitation wavelength was nm. Forensic Science International 208 (2011) 124–128

48 Zastosowanie widma Ramana
wb.pb.edu.pl/download/Spektroskopia- Ramana.ppt.html

49 Przykłady wykorzystania efektu Ramana

50 Przykłady wykorzystania efektu Ramana dla pojedynczych cząstek

51 Przykłady wykorzystania Mikroskopii Ramanowskiej

52 POdsumowanie Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

53 Suplement – rozpraszanie BrilloUina
Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

54 UkŁAD POMIAROWY FP – foto-detektor
Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

55 WIDMA BRILLOUINA Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998

56 Literatura Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998 internet