Phổ tán xạ raman doc

Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51

Phổ tán xạ raman
1
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
A . Mở đầu
Phổ học (Spectroscopy) là phương pháp đo và phân tích bức xạ điện từ được
hấp thụ hoặc phát xạ khi các điện tử, phân tử, nguyên tử, ion trong mẫu đo dịch
chuyển từ một mức năng lượng cho phép này đến một mức năng lượng cho phép
khác.
Việc xác định thành phần hoá học, cấu trúc, và các tính chất vật lý, hóa học
cũng như hình thái học trên bề mặt, và trong lòng khối có ý nghĩa rất quan trọng
trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật như công nghệ vi điện tử, quang điện tử,
công nghệ vật liệu mới Không chỉ ứng dụng trong các phòng thí nghiệm, ngày
nay các phương pháp cũng như các thiết bị đã có rất nhiều cải tiến đáng kể và
chúng dần dần được sử dụng rộng rãi trong cả các lĩnh vực công nghiệp để kiểm
tra, đánh giá chất lượng sản phẩm, xác định các tính chất quan trọng trong chế tạo
vật liệu mới. Có thể nói các phương pháp phân tích ngày càng có nhiều ứng dụng
rộng rãi và cơ bản trong rất nhiều lĩnh vực.
Các phương pháp phân tích, kiểm tra rất phong phú và đa dạng. Căn cứ vào
những hướng nghiên cứu cụ thể, người sử dụng có thể lựa chọn một hoặc một vài
phương pháp để áp dụng. Tuy nhiên trong phổ học, không có một phương pháp
nào là vạn năng cho nên người nghiên cứu đôi khi phải sử dụng rất nhiều phương
pháp khác nhau để tìm thông tin mong muốn từ vật liệu. Đó chính là lý do tại sao
các nhà khoa học cũng như các nhà công nghệ phải biết nhiều phương pháp khác
nhau.
Trong phạm vi tiểu luận này, tôi xin trình bày ngắn gọn về những nguyên tắc, lý
thuyết, cấu tạo, hoạt động và một số ứng dụng của phổ kế tán xạ Raman. Do trình
độ hạn chế cũng như thời gian có hạn nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi thiếu
2

Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
sót, tuy vậy tôi cố gắng trình bày vấn đề một cách logic, đầy đủ, cung cấp thông tin
cơ bản, logic vấn đề và nguồn thông tin để bạn đọc có thể tìm hiểu thêm.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Ngọc Trung đã tận tình hướng dẫn,
cung cấp tài liệu và giúp đỡ tôi hoàn thành bài tiểu luận này.
3
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
B.Cơ sở lý thuyết
Hiệu ứng Raman được nhà vật lý học Ấn Độ C. V. Raman tìm ra
năm 1928. Nguyên nhân chính của hiệu ứng này là do các dao động
rung, xoay của phân tử làm thay đổi mức năng lượng của chúng, do
đó ánh sáng tới sẽ tán xạ các tần số khác với tần số của ánh sáng kích
thích. Với hiệu ứng này, Raman đã được nhận giả Nobel vật lý năm
1930
Hiệu ứng Raman dựa trên cơ sở tán xạ không đàn hồi của ánh sáng khi chiếu
vào mội trường vật chất. Trong trường hợp pho ton ánh sáng tới có năng lượng nhỏ
(không đủ để kích thích điện tử) thì nó có thể bị tán xạ theo các cách sau:
+ Tán xạ đàn hồi
+ Tán xạ không đàn hồi:
- Truyền năng lượng cho hạt khác.
- Lấy năng lượng từ phân tử.
Dưới đây chúng ta sẽ xét kỳ hơn về các loại tán xạ này, cũng như ứng dụng của
chúng để chế tạo phổ kế tán xạ Raman

4
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Hình 1: Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng Laser

I. Lý thuyết cổ điển:
Theo lý thuyết cổ điển, khi các phân tử nằm trong điện trường, các điện tử sẽ
bị dịch chuyển tương đối so với hạt nhân và tạo ra lưỡng cực điện. Nếu cường độ
điện trường nhỏ, momen lưỡng cực tạo thành tỉ lệ thuận với cường độ điện trường:
i
E
µ α
=
Trong đó:
-
α
là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho sự phân cực của phân tử.
- E là cường độ điện trường cân bằng
- f
0
là tần số bức xạ
Trong phân tử phân cực, đám mây điện tử dễ bị lệch, điện trường dao động
sẽ tạo nên momen lưỡng cực dao động cùng tần số. Bức xạ sinh ra được biểu diễn
như sau:
0 0
cos(2 )E E tf
π
=
5
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Bức xạ điện tử sẽ tạo ra lưỡng cực dao động với tần số f
0
trong phân tử.
Lưỡng cực sẽ phát hoặc tán xạ bức xạ có tần số f

0
. Đây là hiệu ứng tán xạ
Rayleigh. Trong phổ Raman, bức xạ này bị loại bỏ.
Xây dựng công thức tán xạ cho trường hợp phân tử hai nguyên tử. Toạ độ
dọc theo trục dao động tại thời điểm t là:
0 0
cos(2 tf )
v
q q
π
=
Nếu sự phân cực thay đổi trong quá trình dao động, biên độ dao động sẽ
được tính theo công thức:
0
0
q
q
ν
ν
α
α α
 
∂
= +
 ÷
∂
 
0
0
cos(2 tf )q

q
ν ν
ν
α
α α π
 
∂
= +
 ÷
∂
 
Hình 2: Sự tán xạ Rayleigh, Raman Stock; Raman AntiStock
Nếu bức xạ có tần số f
0
tương tác với phân tử thì ta có:
0 0
cos(2 )
i
E E tf
µ α α π
= =
6
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
0 0 0 0 0 0
0
cos(2 ) cos(2 ) cos(2 )
i
E tf E q tf t tf
q

ν
ν
α
µ α π π π
 
∂
= +
 ÷
∂
 
0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0
cos(2 ) cos2 ( ) cos 2 ( )
2 2
i
E q E q
E tf t f f t f f
q q
ν ν
ν ν
α α
µ α π π π
   
∂ ∂
= + + + −
 ÷  ÷
∂ ∂
   
Trong công thức trên thành phần thứ nhất đặc trưng cho tán xạ Rayleigh có

tần số tán xạ là f
0
.
Thành phần thứ hai đặc trưng cho tán xạ Raman Stock có tần số tán xạ là f
0
+ f
v
.
Thành phần thứ hai đặc trưng cho tán xạ Raman AntiStock có tần số tán xạ
là f
0
- f
v
.
Cũng từ công thức trên ta thấy tán xạ Raman chỉ xuất hiện khi
0
0
q
ν
α
 
∂
≠
 ÷
∂
 
, nghĩa là sự phân cực của phân tử phải thay đổi trong quá trình dao động.
II. Lý thuyết lượng tử:
Lý thuyết lượng tử giải thích hiện tượng tán xạ Raman thông qua giải bài
toán nhiễu loạn:

Toán tử Hamitonien gồm hai số hạng, H=H
0
+H’, trong đó H
0
là số hạng cơ
bản, còn H’ là số hạng nhiễu loạn do tác động của chùm ánh sáng tới gây nên.
Ban đầu, giải bài toán H=H
0
, tìm ra hàm sóng ở trạng thái cơ bản của phân
tử. Sau đó, thêm các thành phần nhiễu loạn bậc 1, bậc 2…tương ứng với các bổ
chính về năng lượng, cho đến khi nhận được hàm sóng mới, mô tả trạng thái dao
động rung và dao động xoay ở trạng thái kích thích.
7
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Năng lượng của mỗi dao động rung sẽ
bị lượng tử hóa theo biểu thức sau:
E
v
= hf(v+1/2) (6)
f: tần số dao động rung
v: số lượng tử rung (v = 0,1,2,…)
Như minh họa bằng hình về bên ta
thấy: Khi chưa có tác dụng trường điện từ
của ánh sáng, mức năng lượng được xem là
suy biến. Dưới tác dụng của trường điện từ,
các mức năng lượng tách ra thành các mức
suy biến, phụ thuộc vào số lượng tử moment
quay M
J

.
Photon tới kích thích điện tử từ mức J nào đó, chuyển lên các mức cao
hơn, sau đó trở về mức J (tán xạ Rayleigh) hoặc J+1 , J-1 (tán xạ Raman),
tức là năng lượng photon bị thay đổi tương đương với thay đổi tần số. Nếu
từ mức J chuyển về mức J+1, photon mất năng lượng, có nghĩa tần số bị
giảm, bước sóng tăng (dịch chuyển Stockes-hay còn gọi là dịch chuyển đỏ).
Nếu từ mức J+1 chuyển về mức J, năng lượng photon tăng, tần số tăng, bước
sóng giảm ( dịch chuyển anti-Stockes- hay còn gọi là dịch chuyển xanh)
Như vậy, tán xạ Raman Stockes sinh ra từ quá trình biến đỏi bắt đầu từ mức
năng lượng cơ bản và kết thúc ở mức năng lượng cao hơn. Còn tán xạ anti-Stockes
bao gồm sự dịch chuyển từ mức năng lượng cao hơn tới mức năng lượng rung thấp
8
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
hơn. Ở nhiệt độ phòng phần lớn các phân tử rung ở trạng thái cơ bản. Suy ra, xác
suất tán xạ anti-Stockes thấp hơn. Cường độ phổ Raman Stockes mạnh hơn, nên
thường được dùng trong nghiên cứu phổ Raman.
Điều kiện tán xạ Raman
Do bảo toàn moment góc nên dịch chuyển Raman chỉ xảy ra khi thỏa mãn
quy tắc lựa chọn: ΔJ=0,±1. Để làm rõ hơn quy tắc chọn lọc này ta xét bài toán xây
dựng mô hình dao động rung và xoay của phân tử.
Mỗi chất có cấu trúc phân tử với số phối trí, đa giác phối trí, độ dài liên kết,
và năng lượng liên kết khác nhau. Ta xây dựng mô hình moment quán tính và
moment góc cho các loại phối trí này.
Moment quán tính
Xem phân tử như chất điểm và gắn hệ trục
tạo độ Decarte vào chất điểm. Gọi moment quán
tính so với các trục Ox, Oy, Oz tương ứng là I
x
, I

y
,
I
z
.
Ta quy các kiểu cấu trúc về 5 mô hình:
Diatomics (Phân tử hai nguyên tử giống nhau, số
phối bằng 1):
2 2
A B
m m
I R R
m
µ
= =
(7)
Linear Rotors (số phối trí
bằng 2)
( )
2
2 '2
'
A C
A C
m R m R
I m R m R
m
−
= + −
(8)

2
2
A
I m R
=
(9)
9
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Symetric Rotors (đối xứng)
2
2 (1 os )
A
I m R c
θ
= −
P

(10)
( ) ( )
2 2
1/2
(1 os ) ( ) (1 2cos )
'
1
3 ' 6 1 2cos
3
A
A B C
C

A B A
m
I m R c m m R
m
m R
m m R m R
m
θ θ
θ
⊥
= − + + +
 
 
 
+ + + +
 
 
 
 
 
(11)
2
2 (1 os )
A
I m R c
θ
= −
P

(12)

2 2
(1 os ) (1 2cos )
A B
A
m m
I m R c R
m
θ θ
⊥
= − + +

(13)
2
4
A
I m R
=
P
(14)
2 2
2 2 '
A C
I m R m R
⊥
= +
(15)
Spherical Rotors
2
4
A

I m R
=
(17)
10
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
2
8
3
A
I m R
=

(16)
Ansymetric Rotors
Moment góc
Moment góc I
a
được xác định như sau: J
a
= I
a
ω
a
. Vì thế mà năng lượng
2
2 2
2 2 2
C
A B

A B C
J
J J
E
I I I
= + +
(18)
Sperical Rotors:
2 2 2
2
2 2
A B C
J J J
J
E
I I
+ +
= =
(19)
Thay J
2
bởi
2
( 1)J J
+
h
(20)
2
( 1)
2

E J J
I
= +
h
,
2
2
hcB
I
=
h
(21)
E=hcBJ(J+1) , J=0,1,2,3…. (22)
Symectric Rotors:
2 2 2 2 2 2
2
2
2 2 2 2
1 1
2 2 2
b b a a a
a
a
J J J J J J
E
J J J J
J
J
J J J
⊥ ⊥

⊥ ⊥
+ −
= + = +
 
= + −
 ÷
 
P P
P

(23)
Thay J
2
bởi
2
( 1)J J
+
h
, thay J
a
2
bởi
2 2
K h
2
( , ) ( 1) ( )F J K BJ J A B K= + + −
(24)
Trong đó: J=0,1,2…K=0,±1,…±J
4
A

cJ
π
=
P
h
,
4
B
cJ
π
⊥
=
h

(25)
11
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Linear Rotors: F(J)=BJ(J+1) với J=0,1,2… (26)
Điều kiện tán xạ Raman
Theo mô hình xây dựng trên, ứng mỗi
mức năng lượng, có thể có (2J+1) định hướng
moment quay. Kết hợp với giá trị của K, ta được
mức năng lượng là suy biến bậc (2J+1) với K=0
và suy biến bậc 2(2J+1) với K<>0.
Khí có tác dụng của trường điện từ (chùm
photon), các mức năng lượng tách ra. Photon
tương tác với phân tử. Kích thích phân tử từ một
mức J nào đó và trở về mức J khác phải tuân
theo quy tắc chọn lọc :

ΔJ=J
cuối
-J
đầu
=0,±1
Yều cầu chọn lọc đối với J xuất phát từ
định luật bảo toàn moment góc. Chứng minh
quy tắc chọn lọc theo cơ học lương tử.
Từ yêu cầu
0
jf ji
µ µ
− =
(27), dẫn đến yêu
cầu tích phân:
, 1,0
/ / 0
fi z Ji Jf
Y Y Y
µ
µ ≠
(28)
2
*
1,0
0 0
0
Ji Jf
Y Y Y
π π

≠
∫ ∫
(29)
Dẫn đến ΔJ=0,±1 (30)
12
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Ví dụ với phân tử NH
3
:
III. Hệ số phân cực trong tán xạ Raman
Hệ số phân cực được xác định theo công thức;
i
E
µ α
=
Trong đó
-
α
là tensor phân cực bao gồm các thành phần theo các hưỡng, y, z của
hệ toạ độ Đecac
13
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Cường độ điện trường theo một hướng có thể tạo nên các lưỡng cực thành
phần theo các hướng x, y, z được xác định theo các công thức:
x xx x xy y xz z
E E E
µ α α α
= + +

y yx x yy y yz z
E E E
µ α α α
= + +
z zx x zy y zz z
E E E
µ α α α
= + +
Hoặc:
E
µ α
=
Thông thường:
ij ji
α α
=
Việc nghiên cứu hệ số phân cực để phát triển và được ứng dụng rất hiệu quả
để khảo sát tán xạ bởi chất lỏng. Có hai tính chất bất biến của tensor phân cực
(hằng số không kể đến hướng của phân tử).
1/ Giá trị trung bình của
α
2/ Độ định hướng
γ
1/ 3( )
xx yy zz
α α α α
= + +
2 2 2 2 2 2
1/ 2 ( ) ( ) ( ) 6( )
xx yy yy zz zz xx xy yz zx

γ α α α α α α α α α
 
= − + − + − + + +
 
Một trong những kết quả từ tính đối xứng của tensor phân cực là tạo được
ánh sáng tán xạ tự phát có tính chất phụ thuộc theo hướng. Điều này được biểu
diễn bởi tensor tán xạ trung bình, áp dụng cho trường hợp hệ phân tử sắp xếp ngẫu
nhiên theo các hướng không trật tự, nếu nó chỉ chứa có một phần bất biến tensor
phân cực của các nguyên tử riêng rẽ. Tensor tán xạ trung bình được biểu diễn như
sau:
2 2 2 2 2 2
(45 4 )/ 45
ii xx yy zz
α α α α α γ
= = = = +
14
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
2 2 2 2 2
/15
ij xy yz zx
α α α α γ
= = = =
Khi các phân tử của tensor tán xạ trung bình bất biến, toạ độ x, y, z có thể
được chọn cho phù hợp. Về cơ bản một hệ phân tử phức tạp không trật tự được
biểu diễn như một hệ phân tử sắp xếp theo hướng thông qua tensor trung bình theo
các trục khi làm thực nghiệm và
α α
=
.

Có hai dạng tán xạ theo hướng:
1/ Tán xạ đẳng hướng:
Thành phẩn
2
ii
α
sẽ đóng vai trò chính và hiện tượng tán xạ là do các
lưỡng cực có cùng hướng với hướng của vector cường độ điện trường của
bức xạ kích thích.
2/ Tán xạ dị hướng:
Thành phẩn
2
ij
α
sẽ đóng vai trò chính. Tán xạ bởi lưỡng cực có hướng
trong mặt phẳng vuông góc với hướng của vector cường độ điện trường
của bức xạ kích thích.
Thông thường góc tán xạ là 90, do đó trong thực nghiệm các dụng cụ thường
được bố trí theo hình sau
15
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Hình 4: Sơ đồ bố trí các dụng cụ trong thiết bị đo phổ Raman
Cường độ của tia tán xạ tỷ lệ thuận với bình phương của momen lưỡng cực
tạo thành, khi đó cường độ của tán xạ đẳng hướng:
2 2
ijz x
I k E
α
=

Cường độ tán xạ dị hướng:
2 2
ijz y
I k E
α
=
Hệ số khử cực:
2
2
ij
2
2 2
/15
45 4
y
z ii
I
Q
I
α
γ
α
α γ
= = =
+
IV. Cường độ phổ Raman:
Ta tiếp tục nghiên cứu cường độ phổ Raman theo lý thuyết phân cực của
Placzek. Lý thuyết này sử dụng phương pháp gần đúng Born-Oppeheimer và xét
tới tần số ánh sáng kích thích có giá trị nhở hơn rất nhiều tần số dao động điện tử
của phân tử không xoắn có mức năng lượng cơ bản đơn.

Tổng cường độ của vạch Raman Stoke của tần số dịch f tán xạ trong toàn
góc khối 4pi bởi phân tử định hướng ngẫu nhiên bị nhiễu loạn bởi bức xạ điện từ
và dịch từ trạng thái dao động m tới loại n:
7 5
2
4
0 0 ij
2 4
ij
2
( ) ( )
3
mn mn
I I f f
C
π
α
= −
∑
Trong đó:
- I
0
là cường độ chùm tia tới.
16
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
-
ij
α
là phần tử của tensor phân cực được mở rộng như một hàm của toạ

độ dao động
- Q
mn
thu được bằng khai triển Taylor
ij ij
mn
m n m mn n
mn
dt Q dt
Q
α
α α γ γ γ γ
∂
= +
∂
∫ ∫
Hình 5: Phân bố cường độ phổ của các phổ Rayleigh,
Raman Stock và Raman AntiStock
Ta thu được cường độ của N phân tử:
2
4
4 3
ij
0 0
/
2 4
ij
( )
2
3 (1 ) Q

B
mn
hf k T
hI N f f
I
C f e
α
π
µ
−
∂
 
−
=
 ÷
− ∂
 
∑
Trong đó:
- C là hằng số
-
4 3
2 4
2
3
K
C
π
=
-

µ
là khối lượng quy về của phân tử dao động
17
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
- Và
4
2 2
0 0
/
( )
45 7
(1 )
B
mn
hf k T
KI N f f
I
f e
α γ
µ
−
−
 
= +
 
−
V. Lý thuyết Raman cộng hưởng:
Biểu thức cường độ cho thấy cường độ vạch Raman phụ thuộc vào tensor
phân cực. Sử dụng ký thuyết nhiễu loạn bậc 3 phụ thuộc vào thời gian thu được

biểu thức của các phần tử của tensor phân cực liên quan đến các trạng thái điện tử
của phân tử.
Tổng lấy theo toàn bộ các trạng thái kích thích của phân tử từ loại p đến loại
q theo;
ij
0 0
( ) ( ) ( ) ( )
1
( )( ) ( )( )
f f
j gp pq i qq i gp pq j qg
pq
p q s p q s
M h M M h M
h f f f f f f f f
α
∆ ∆
 
= +
 
− − + +
 
 
∑
Trong đó:
- g là trạng thái cơ bản
- M
i
; M
j

là momen lưỡng cực điện dịch chuyển theo hướng i và j giữa
các mức nói trên.
-
f
pq
h
∆
là thông số liên quan đến dao động liên kết trạng thái loại p
và loại q bởi dao động rung với tần số f.
- f
0
là tần số dao động kích thích
(Các số hạng nhỏ dần được bỏ đi vì tránh cho các mẫu số bằng 0 khi f -> f
p
)
Khi f -> f
p
giá trị của phần tử tensor phân cực tăng mạnh, xuất hiện cộng
hưởng. Đây là điều kiện cộng hưởng và làm tăng cường độ Raman lên vài bậc.
Có hai dạng hiệu ứng Raman cộng hưởng:
18
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
1/ Hiệu ứng Raman trước cộng hưởng (Pre-Resonance Raman Effect PRRE)
2/ Hiệu ứng Raman cộng hưởng (RRE)
PRRE được quan sát khi tần số bức xạ kích thích nằm giữa vùng tần số thấp
và cao nhưng không dưới vùng dao động rung của dải hấp thụ điện tử bao gồm cả
vùng tần số tán xạ Raman, Khi bức xạ tới có tần số nằm trong vùng tần số dao
động rung của cấu trúc ta sẽ quán sát được RRE.
Tồn tại hai nhóm chính của sự phụ thuộc tần số tương ứng với điều kiện

cộng hưởng, trong đó chỉ có một mức điện tử là quan trọng p = f và trường hợp p
khác f
Trường hợp p =q áp dụng cho các mode dao động rung đối xứng hoàn toàn:
2
2 2
0
4 4
0
2 2
0
( )
( )
( )
p
i i A
p
f f
I f f F
f f
α
 
+
− =
 
−
 
 
Trường hợp sau áp dụng cho các dao động rung có các đối xứng bao gồm 2
trạng thái điện tử:
2

2
0
4 4
0
2 2 2 2
0 0
( )
4( )
( )( )
p s
i i B
p q
f f f
I f f F
f f f f
α
 
+
− =
 
− −
 
 
Trong hầu hết các hệ xuất hiện ít nhất 2 trạng thái điện tử trong quá trình
cộng hưởng cho nên dùng
4
B
F
rộng rãi hơn.
Sự tăng cường cộng hưởng là rất lớn cho các chế độ dao động liên quan tới

cấu trúc rung của vạch hấp thụ.
Để vẽ một cách chính xác cường độ Raman của phổ phản hồi bằng phổ kế f
4
thích hợp nhất là sử dụng một tiêu chuẩn chung ngược với tần số kích thích thường
gọi là profile kích thích. Vậy hình vẽ mode dao động rung liên kết với dịch chuyển
19
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
điện tử cơ bản sẽ gấp đôi vạch hấp thụ. Bằng cách này sẽ nhận được thông tin giá
trị về phân bố và cấu trúc dao động từ phổ điện tử.
Xét về mặt lý thuyết, các phân tử tự do không thuộc nhóm đối xứng lập
phương có bậc tự do bằng 3 hoặc cao hơn có trạng thái điện tử không suy biến. Sử
dụng phương pháp Raman trước cộng hưởng cho phép xác định được tính đối
xứng của trạng thái điện tử không suy biến liên quan đến tính cộng hưởng.
VI. Phân biệt phổ Raman và phổ hồng ngoại;
Phổ Raman và phổ hồng ngoại khác nhau ở qui tắc lựa chọn cũng như trong
bản chất vật lý.
Về mặt vật lý phổ hồng ngoại xuất hiện khi momen lưỡng cực điện thay đổi
bất đối xứng (độ phân cực điện thay đổi) và phổ Raman xuất hiện khi momen
lưỡng cực điện thay đổi đối xứng (độ phân cực điện không thay đổi)
Hình 6: Sự thay đổi độ phân cực điện của momen lưỡng cực
Từ bản chất vật lý trên ta thấy phổ hồng ngoại chỉ tồn tại đối với dao động
rung còn phổ Raman cho ta thông tin về cả dao động rung và dao động xoay.
Thêm vào đó, chúng ta cũng có thể phân biệt phổ hồng ngoại và phổ Raman
theo qui tắc lựa chọn:
Qui tắc lựa chọn đối với phổ Raman
- Với các mức dao động rung
20
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51

• v = 1
• Khả năng phân cực thay đổi trong quá trình dao động.
- Với các mức dao động xoay
• J = 2
• Khả năng phân cực bất đẳng hướng (các phân tử nhất thiết không
được đối xứng cầu như phân tử CH
4
, SF
6
)
Hình 7: Các bước sóng của phổ tán xạ Raman và hồng ngoại
với phân tử CO
2
và H
2
O
21
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Bảng 1: so sánh khả năng của 3 loại phổ IR trường gần, IR trung và Raman
22
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
VII . Kết quả một vài phân tích phổ Raman :
 Phân tích phổ raman có thể cho ta biết được
cấu trúc và sự ổn định của cấu trúc đó trong
vật chất
 Với từng loại dao động của phân tử mà chúng ta có thể thu nhận được các
phổ khác nhau:
 Một vài phổ thu được

trên thực tế:
Phổ Raman của
HgCl
2
Phổ
Raman
sử dụng bức xạ kích thích 532nm (Phổ này
gồm một đỉnh của
tia vũ trụ mà CCD
vẫn nhận được)
23
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội
Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Phổ raman với từng nồng độ khác nhau của H
2
SO
4
Phổ Raman của CO
2
Và phổ Raman của
15
N
2
và
14
N
15
N
24
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội

Ngô Hồng Băng – VLĐT – VLKTK51
Phổ Raman trong phân tích chất béo dùng cho y học. Chúng ta có thế phân tích
hàm lượng từng chất hữu co có trong máu.
Một điều đáng chú ý trong thực nghiệm đó là sự khác nhau giữa phổ hông ngoại
và phổ Raman trong khi cả hai phổ đều dựa trên sự dịch chuyển của các mức dao
động của nguyên tử nhưng phổ hồng ngoại chỉ tồn tại đối với dao động rung còn
phổ Raman cho ta thông tin về cả dao động rung và dao động xoay. Về mặt năng
lượng IR chỉ đơn thuần là phổ hấp thụ (absorption spectroscopy), sự hấp thụ năng
lượng gây ra dao động của phân tử, Còn phổ Raman là phổ phát xạ photon một
phần. Liên quan đến hai hiệu ứng Stoke và anti-Stoke. Sự phát xạ photon theo hiệu
ứng Stoke có năng lượng nhỏ hơn incident photon. Và ngược lại với anti-Stoke. Từ
đó mà chúng ta có được sự khác nhau giữa hai phổ để có thể có được sự lựa chọn
phổ hợp lý.
VIII .Ứng dụng: Có khá nhiều ứng dụng trong thực tế:
 Ứng dụng trong phân tích cấu trúc vật liệu, đặc biệt là vật liệu bán dẫn và
vật liệu nano
 Ứng dụng trọng công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm
 Ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng (Phân tích chất nổ)
 Phát hiện nhanh các chất gây nổ và gây nghiện.
Ứng dụng được sử dụng nhiều nhất và cơ bản nhất của phổ tán xạ Raman đó chính
là sử dụng trong việc phân tích vật liệu bán dẫn. Chúng ta cùng xem xét đến
ứng dụng này:
25
Viện VLKT - ĐHBK Hà nội