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vasp-Spectroscopy
pfliu89 2018-1-22 10:15
1. Phonopy-Spectroscopy : It is a project to add the capability to simulate vibrational spectra to the Phonopy code. Features: Calculate infrared (IR) intensities from Phonopy or VASP calculations; Calculate Raman-activity tensors and scalar-averaged intensities within the far-from-resonance approximation; Prepare peak tables including assigning modes to irreducible representations (Phonopy interface); Output customisable simulated spectra with support for multiple unit systems and simulated instrumental broadening; Include first-principles mode linewidths from Phono3py calculations (Phonopy interface). https://github.com/JMSkelton/Phonopy-Spectroscopy When using this code, please cite the following article: Phy. Chem. Chem. Phy. 19, 12452 (2017). 2. IR : Python Package to Calculate IR Intensities from the Dipole Approximation with Phonopy and VASP. This python package can calculate infrared intensities based on the dipole approximation. To do so, you need VASP and Phonopy . https://github.com/JaGeo/IR When using this code, please cite the following article: J. Chem. Phys. , 1994 , 100 , 8537; J. Phys.:Condens. Matter. , 2010 , 22 , 265006. 3. INTENS : The BASH script for evaluation of IR intensities within DFPT by VASP. As of VASP 5.* version, the DFPT linear response calculations are available. Among others, the user can obtain the matrix of Born effective charges ( BEC ), which refers to change of atoms'polarizabilities at an external electric field. The BEC tensor is a key to calculate the vibrational intensities using the most modern method available , using the formula by Gianozzi Baroni. http://homepage.univie.ac.at/david.karhanek/downloads.html 4. raman-sc : Python program to evaluate off-resonance Raman activity using VASP code as the backend. In order to calculate off-resonance Raman activity of a mode, one needs to compute the derivative of the polarizability (or macroscopic dielectric tensor) with respect to that normal mode coordinate: dP/dQ (or de/dQ). Thus, two ingredients are required: Phonons at Γ-point; Macroscopic dielectric tensor. https://github.com/raman-sc/VASP 5. VASP2NMR : Convert VASP files to NMR spectra. https://github.com/smeerten/VASP2NMR 6. opticsVASP : Program to plot optical properties from VASP results Program to plotoptical properties from VASP results. compile the program with :$g++ -oopticsVASP opticsVASP.2.0.c. run the executable file on the folder where theVASP output files are located. https://github.com/gmsn-ita/opticsVASP
个人分类: VASP|8181 次阅读|0 个评论
[转载]拉曼光谱、红外光谱、XPS的原理及应用
yxx554243496 2017-2-9 19:58
拉曼光谱、红外光谱、XPS的原理及应用 拉曼光谱的原理及应用 拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是:CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性,体积小而功率大的二极管激光器,与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。这些产品连同高口径短焦距的分光光度计,提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。 (一)含义 光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射. 弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分, 统称为拉曼效应 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时,大部分的光会按原来的方向透射,而一小部分则按不同的角度散射开来,产生散射光。在垂直方向观察时,除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外,还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线,这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目,位移的大小,谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此,与红外吸收光谱类似,对拉曼光谱的研究,也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定,分子结构的研究谱线特征 (二)拉曼散射光谱具有以下明显的特征: a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同,但对同一样品,同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关; b. 在以波数为变量的拉曼光谱图上,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧, 这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的能量。 c. 一般情况下,斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布,处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 (三)拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析,它无需样品准备,样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外 1 由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2 拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间,可对有机物及无机物进行分析。相反,若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器 3 拉曼光谱谱峰清晰尖锐,更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中,独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。 4 因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米,常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且,拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小,可分析更小面积的样品。 5 共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动,这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。 (四)几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术 2、以CCD为代表的多通道探测器用于拉曼光谱的检测仪的分析技术 3、采用傅立叶变换技术的FT-Raman光谱分析技术 4、共振拉曼光谱分析技术 5、表面增强拉曼效应分析技术 (五) 拉曼频移,拉曼光谱与分子极化率的关系 1、拉曼频移:散射光频与激发光频之差,取决于分子振动能级的改变,所以它是特征的 ,与入射光的波长无关,适应于分子结构的分析 2、拉曼光谱与分子极化率的关系 分子在静电场E中,极化感应偶极矩P为静电场E与极化率的乘积 诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子的极化率 分子中两原子距离最大时,极化率也最大 拉曼散射强度与极化率成正比例 (六)应用激光光源的拉曼光谱法 应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性,与表面增强拉曼效应相结合,便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高104~107倍,加之活性载体表面选择吸附分子对荧光发射的抑制,使分析的信噪比大大提高。已应用于生物、药物及环境分析中痕量物质的检测。共振拉曼光谱是建立在共振拉曼效应基础上的另一种激光拉曼光谱法。共振拉曼效应产生于激发光频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时,这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度可达到正常拉曼谱带的104~106倍,有利于低浓度和微量样品的检测。已用于无机、有机、生物大分子、离子乃至活体组成的测定和研究。激光拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱相配合,已成为分子结构研究的主要手段 1、共振拉曼光谱的特点: (1)、基频的强度可以达到瑞利线的强度。 (2)、泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度。 (3)、通过改变激发频率,使之仅与样品中某一物质发生共振,从而选择性的研究某一物质。 (4)、和普通拉曼相比,其散射时间短,一般为10-12~10-5S。 2、共振拉曼光谱的缺点:需要连续可调的激光器,以满足不同样品在不同区域的吸收。 (七)电化学原位拉曼光谱法 电化学原位拉曼光谱法, 是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象, 将单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光) 激发受电极电位调制的电极表面, 通过测定散射回来的拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度等的变化关系。一般物质分子的拉曼光谱很微弱, 为了获得增强的信号, 可采用电极表面粗化的办法, 可以得到强度高104-107倍的表面增强拉曼散射(Surface Enahanced Raman Scattering, SERS) 光谱, 当具有共振拉曼效应的分子吸附在粗化的电极表面时, 得到的是表面增强共振拉曼散射(SERRS)光谱, 其强度又能增强102-103。 电化学原位拉曼光谱法的测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池两个部分。拉曼光谱仪由激光源、收集系统、分光系统和检测系统构成, 光源一般采用能量集中、功率密度高的激光, 收集系统由透镜组构成, 分光系统采用光栅或陷波滤光片结合光栅以滤除瑞利散射和杂散光以及分光检测系统采用光电倍增管检测器、半导体阵检测器或多通道的电荷藕合器件。原位电化学拉曼池一般具有工作电极、辅助电极和参比电极以及通气装置。为了避免腐蚀性溶液和气体侵蚀仪器, 拉曼池必须配备光学窗口的密封体系。在实验条件允许的情况下, 为了尽量避免溶液信号的干扰, 应采用薄层溶液(电极与窗口间距为0.1~1mm) , 这对于显微拉曼系统很重要, 光学窗片或溶液层太厚会导致显微系统的光路改变, 使表面拉曼信号的收集效率降低。电极表面粗化的最常用方法是电化学氧化- 还原循环(Oxidation-Reduction Cycle,ORC)法, 一般可进行原位或非原位ORC处理。 目前采用电化学原位拉曼光谱法测定的研究进展主要有: 一是通过表面增强处理把测检体系拓宽到过渡金属和半导体电极。虽然电化学原位拉曼光谱是现场检测较灵敏的方法, 但仅能有银、铜、金三种电极在可见光区能给出较强的SERS。许多学者试图在具有重要应用背景的过渡金属电极和半导体电极上实现表面增强拉曼散射。二是通过分析研究电极表面吸附物种的结构、取向及对象的SERS 光谱与电化学参数的关系,对电化学吸附现象作分子水平上的描述。三是通过改变调制电位的频率, 可以得到在两个电位下变化的“时间分辨谱”, 以分析体系的SERS 谱峰与电位的关系, 解决了由于电极表面的SERS 活性位随电位而变化而带来的问题。 (八)拉曼信号的选择 入射激光的功率,样品池厚度和光学系统的参数也对拉曼信号强度有很大的影响,故多选用能产生较强拉曼信号并且其拉曼峰不与待测拉曼峰重叠的基质或外加物质的分子作内标加以校正。其内标的选择原则和定量分析方法与其他光谱分析方法基本相同。 斯托克斯线能量减少,波长变长 反斯托克斯线能量增加,波长变短 (九)拉曼光谱的应用方向 拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,其信号来源与分子的振动和转动。拉曼光谱的分析方向有: 定性分析:不同的物质具有不同的特征光谱,因此可以通过光谱进行定性分析。 结构分析:对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础。 定量分析:根据物质对光谱的吸光度的特点,可以对物质的量有很好的分析能力。 (十)拉曼光谱用于分析的优点和缺点 1、拉曼光谱用于分析的优点 拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理,也没有样品的制备过程,避免了一些误差的产生,并且在分析过程中操作简便,测定时间短,灵敏度高等优点 2、拉曼光谱用于分析的不足 (1)拉曼散射面积 (2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响 (3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰 (4)在进行傅立叶变换光谱分析时,常出现曲线的非线性的问题 (5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染,这等于引入了一些误差的可能性,会对分析的结果产生一定的影响 (十一)新进展及发展前景 十多年来,虽然已经有一些关于在高真空体系、大气下、以及固/液体系(电化学体系)中研究单晶金属体系表面拉曼光谱的报道[89~91],但直至近年光滑单晶电极体系的SERS研究才取得了重要进展.Bryant等记录了以单分子层吸附在光滑Pt电极表面的噻吩拉曼谱[89],Furtak等使用具有Kretchmann光学构型的ATR电解池并利用表面等离子体增强效应,获得了吸附物种在平滑的Ag(111)单晶面上的弱SERS信号[90].由于拉曼光谱系统的检测灵敏度的限制,所获得的表面信号极弱,无法进行较为详细的研究.Otto小组和Futamata小组分别成功地采用Otto光学构造的ATR电解池,利用表面等离子激元增强方法获得了光滑单晶电极上相对较强的表面Raman信号[92~94].前者发现不同的Cu单晶电极表面的增强因子有所不同,有较高指数或台阶的晶面的信号明显增强[92].Futamata等甚至可在Pt和Ni金属的单晶表面上观察到SERS信号, 计算表明其表面增强因子为1~2个数量级[93].目前可用于单晶表面电极体系的SERS研究还局限于Raman散射截面很大的极少数分子,尚需进一步改进和寻找实验方法,以拓宽可研究的分子体系.若能成功地将各种单晶表面电极的SERS信号与经过不同粗糙方式处理的电极表面信号进行系统地比较和研究, 不但对定量研究SERS机理和区分不同增强机制的贡献大有益处, 而且将有利于提出正确和可靠的拉曼光谱的表面选择定律. 随着纳米科学技术的迅速发展, 各类制备不同纳米颗粒以及二维有序纳米图案的技术和方法将日益成熟, 人们可以比较方便地在理论的指导下,寻找在过渡金属上产生强SERS效应的最佳实验条件.这些突破无疑将为拉曼光谱技术广泛应用于各种过渡金属电极和单晶电极体系的研究开创新局面.总之,通过摸索合适的表面处理方法并采用新一代高灵敏度的拉曼谱仪, 可将拉曼光谱研究拓展至一系列重要的过渡金属和半导体体系, 进而将该技术发展成为一个适用性广、研究能力强的表面(界面)谱学工具,同时推动有关表面(界面)谱学理论的发展. 各种相关的检测和研究方法也很可能得到较迅速的发展和提高.在提高检测灵敏度的基础上,人们已不满足于仅仅检测电极表面物种, 而是注重通过提高其检测分辨率(包括谱带分辨、时间分辨和空间分辨)来研究电化学界面结构和表面分子的细节和动态过程.今后的主要研究内容可能从稳态的界面结构和表面吸附逐渐扩展至其反应的动态过程,并深入至分子内部的各基团, 揭示分子水平上的化学反应(吸附)动力学规律, 研究表面物种间以及同电解质离子或溶剂分子间的弱相互作用等.例如将电化学暂态技术(时间-电流法、超高速循环伏安法)同时间分辨光谱技术结合, 开展时间分辨为ms或μs级的研究[95].采用SERS同电化学暂态技术结合进行的时间分辨实验可检测鉴别电化学反应的产物及中间物[96], 新一代的增强型电荷耦合列阵检测器(ICCD)和新一代的拉曼谱仪(如: 富立叶变换拉曼仪和哈德玛变换仪)的推出, 都将为时间分辨拉曼光谱在电化学的研究提供新手段.最近, 我们利用电化学本身的优势, 提出的电位平均表面增强拉曼散射he(Potential Averaged SERS, PASERS)新方法[17], 通过在Ag和Pt微电极上采集在不同调制电位频率下的PASERS谱, 并进行解谱, 可在不具备从事时间分辨研究条件的仪器上进行时间分辨为μs级的电化学时间分辨拉曼光谱研究.拉曼光谱研究的另一发展方向是采用激光拉曼光谱微区显微技术[97]开展空间分辨研究并进而开展电极表面微区结构与行为的研究.Fujishima等人利用共焦显微拉曼系统和SERS技术发展了表面增强拉曼成像技术,并研究了SERS活性银表面吸附物以及自组装膜的SERI图象[98,99].该技术和具有三维空间分辨的共焦显微Raman光谱方法在研究导电高聚物、L-B膜和自组装膜电极以及电极钝化膜和微区腐蚀等方面将发挥其重要作用[98~100].突破光学衍射极限的、空间分辨值达数十纳米的近场光学Raman显微技术则很可能异军突起[101].为多方位获得详细信息,达到取长补短的目的,开展Raman光谱与其他先进技术联用的研究势在必行.光导纤维技术可在联用耦合方面发挥关键作用[102,103],如将表面Raman光谱技术与扫描探针显微技术进行实时联用[104].针对性的联用技术可望较全面地研究复杂体系并准确地解释疑难的实验现象,为各种理论模型和表面选则定律提供实验数据, 促进谱学电化学的有关理论和表面量子化学理论的发展.可以预见, 在不久的将来,随着表面检测技术的快速发展,SERS及其应用于电化学的研究将进入一个新的阶段. 红外光谱的原理及应用 (一)红外吸收光谱的定义及产生 分子的振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只能得到分子的振动-转动光谱,这种光谱称为红外吸收光谱 红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时,分子吸收了某些频率的辐射,并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化,产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线,就得到红外光谱 (二)基本原理 1产生红外吸收的条件 (1)分子振动时,必须伴随有瞬时偶极矩的变化。对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。  如:N2、O2、Cl2 等。非对称分子:有偶极矩,红外活性。 (2)只有当照射分子的红外辐射的频率与分子某种振动方式的频率相同时,分子吸收能量后,从基态振动能级跃迁到较高能量的振动能级,从而在图谱上出现相应的吸收带。 2分子的振动类型 伸缩振动:键长变动,包括对称与非对称伸缩振动 弯曲振动:键角变动,包括剪式振动、平面摇摆、非平面摇摆、扭曲振动 3几个术语 基频峰:由基态跃迁到第一激发态,产生一个强的吸收峰,基频峰; 倍频峰:由基态直接跃迁到第二激发态,产生一个弱的吸收峰,倍频峰; 组频: 如果分子吸收一个红外光子,同时激发了基频分别为v1和v2的两种跃迁,此时所产生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频率之和,故称组频。 特征峰:凡是能用于鉴定官能团存在的吸收峰,相应频率成为特征频率。 相关峰:相互可以依存而又相互可以佐证的吸收峰称为相关峰 4影响基团吸收频率的因素 (1 外部条件对吸收峰位置的影响:物态效应、溶剂效应 (2分子结构对基团吸收谱带的影响: 诱导效应:通常吸电子基团使邻近基团吸收波数升高,给电子基团使波数降低。 共轭效应:基团与吸电子基团共轭,使基团键力常数增加,因此基团吸收频率升高,基团与给电子基团共轭,使基团键力常数减小,因此基团吸收频率降低。 当同时存在诱导效应和共轭效应,若两者作用一致,则两个作用互相加强,不一致,取决于作用强的作用。 (3) 偶极场效应:互相靠近的基团之间通过空间起作用。 (4) 张力效应 : 环外双键的伸缩振动波数随环减小其波数越高。 (5) 氢键效应:氢键的形成使伸缩振动波数移向低波数,吸收强度增强 (6) 位阻效应:共轭因位阻效应受限,基团吸收接近正常值。 (7) 振动耦合,(8)互变异构的影响 (三)红外吸收光谱法的解析 红外光谱一般解析步骤 1. 检查光谱图是否符合要求; 2. 了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度; 3. 排除可能的“假谱带”; 4. 若可以根据其他分析数据写出分子式,则应先算出分子的不饱和度U ∪ = (2 + 2n4 + n3 – n1 )/ 2 n4 , n3 ,n1分别为分子中四价,三价,一价元素数目; 5确定分子所含基团及化学键的类型(官能团区4000-1330和指纹区 1330-650cm-1) 5. 结合其他分析数据,确定化合物的结构单元,推出可能的结构式; 6. 7. 已知化合物分子结构的验证; 8. 标准图谱对照; 9. 计算机谱图库检索。 (四)红外吸收光谱法的应用 红外光谱法广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。 (一)、定性分析 1 . 已知物的鉴定 将试样的谱图与标准的谱图进行对照,或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同,峰的相对强度一样,就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样,或峰位不一致,则说明两者不为同一化合物,或样品有杂质。如用计算机谱图检索,则采用相似度来判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。 2 . 未知物结构的测定 测定未知物的结构,是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物,可以通过两种方式利用标准谱图进行查对: (1)查阅标准谱图的谱带索引,与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图; (2)进行光谱解析,判断试样的可能结构,然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。 准备工作 在进行未知物光谱解析之前,必须对样品有透彻的了解,例如样品的来源、外观,根据样品存在的形态,选择适当的制样方法;注意视察样品的颜色、气味等,它们住往是判断未知物结构的佐证。还应注意样品的纯度以及样品的元素分析及其它物理常数的测定结果。元素分析是推断未知样品结构的另一依据。样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、旋光率等物理常数,可作光谱解释的旁证,并有助于缩小化合物的范围。 3确定未知物的不饱和度 由元素分析的结果可求出化合 物的经验式,由相对分子质量可求出其化学式,并求出不饱和度。 从不饱和度可推出化合物可能的范围。 不饱和度是表示有机分子中碳原子的不饱和程度。计算不饱和度W的经验公式为: W=1+n4+(n3-n1)/2 式中n4、n3、n1分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。 二价原子如S、O等不参加计算。 当计算得: 当W=0时,表示分子是饱和的,为 链状烃及其不含双键的衍生物。 当W=1时,可能有一个双键或脂环; 当W=2时,可能有 两个双键和脂环,也可能有一个 叁键; 当W=4时,可能有一个苯环等。 官能团分析: 根据官能团的初步分析可以排除一部分结构的可能性,肯定某些可能存在的结构,并初步可以推测化合物的类别。 图谱分析: 图谱的解析主要是靠长期的实践、经验的积累,至今仍没有一一个特定的办法。一般程序是先官能团区,后指纹区;先强峰后弱峰;先否定后肯定。 首先在官能团区(4000~1300cm-1)搜寻官能团的特征伸缩振动,再根据指纹区的吸收情况,进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物,应定出苯环取代位置。最后再结合样品的其它分析资料,综合判断分析结果,提出最可能的结构式,然后用已知样品或标准图谱对照,核对判断的结果是否正确。如果样品为新化合物,则需要结合紫外、质谱、核磁等数据,才能决定所提的结构是否正确。 4几种标准谱图 (1)萨特勒(Sadtler)标准红外光谱图 (2)Aldrich红外谱图库 (3)Sigma Fourier红外光谱图库 (二)、定量分析 红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。 由于红外光谱的谱带较多,选择的余地大,所以能方便的对单一组分和多组分进行定量分析 此外,该法不受样品状态的限制,能定量测定气体、液体和固体样品。因此,红外光谱定量分析应用广泛。但红外光谱法定量灵敏度较低,尚不适用于微量组份的测定。 定量分析方法 可用标准曲线法、求解联立方程法等方法进行定量分析。 例: 工业二甲苯中邻、间和对位三种同分异构体的定量。三者的C—H弯曲振动(γC-H)峰位置不同:邻二甲苯是741厘米-1、间位是690厘米-1 、对位是794厘米-1 ,见图1(a),(b)和(c)。先以环己烷为溶剂将邻、间和对位二甲苯分别配成三种以上不同浓度的标准溶液,置于0.025或0.05毫米厚的吸收池中,以l微米/分描速分别测定741,690和794厘米-1处的吸光度,得出吸光度与样品百分含量的工作曲线(图2)是三条直线,符合比尔定律.然后测定工业二甲苯 上述三个峰的吸光度,即可从工作曲线上得到三个异构体的百分含量。 (三)红外光谱中的新技术---差示光谱 在光谱分析中,经常需要知道两种光谱之差。例如,在溶液光谱中去掉溶剂的光谱 ,便可得到纯溶质的光谱;在二元混合物中,去掉一个组分的光谱,便可得到另外一个组分的光谱 ,该光谱成为差示光谱。 X射线光电子能谱的原理和应用 (一)X光电子能谱分析的基本原理 X光电子能谱分析的基本原理:一定能量的X光照射到样品表面,和待测物质发生作用,可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示: hn=Ek+Eb+Er 其中: hn:X光子的能量; Ek:光电子的能量; Eb:电子的结合能; Er:原子的反冲能量。其中Er很小,可以忽略。 对于固体样品,计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子,而是选用费米能级,由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 Eb,由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ,剩余的能量成为自由电子的动能Ek, 式(103)又可表示为: hn=Ek+Eb+Φ (10.4)Eb= hn- Ek-Φ (10.5)   仪器材料的功函数Φ是一个定值,约为4eV,入射X光子能量已知,这样,如果测出电子的动能Ek,便可得到固体样品电子的结合能。各种原子,分子的轨道电子结合能是一定的。因此,通过对样品产生的光子能量的测定,就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同,其结合能会有微小的差别,这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移,由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后,其结合能会增加,如果得到电子成为负离子,则结合能会降低。因此,利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。 (二)电子能谱法的特点 ( 1 )可以分析除 H 和 He 以外的所有元素;可以直接测定来自样品单个能级光电发射电子的能量分布,且直接得到电子能级结构的信息。 ( 2 )从能量范围看,如果把红外光谱提供的信息称之为“分子指纹”,那么电子能谱提供的信息可称作“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息,即直接测量价层电子及内层电子轨道能级。而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远,相互干扰少,元素定性的标识性强。 ( 3 )是一种无损分析。 ( 4 )是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约 10 -8 g 即可,绝对灵敏度高达 10 -18 g ,样品分析深度约 2nm 。 (三) X 射线光电子能谱法的应用 ( 1 )元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能,因此在能谱图中就出现特征谱线,可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除 H 和 He 以外的所有元素。通过对样品进行全扫描,在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。 ( 2 )元素定量分折 X 射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中,采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析,其分析精度达 1 %~ 2 %。 ( 3 )固体表面分析 固体表面是指最外层的 1 ~ 10 个原子层,其厚度大概是 (0.1~1) n nm 。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成,原子价态,表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。 X 射线 光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。 ( 4 )化合物结构签定 X 射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量,能提供化学键和电荷分布方面的信息。 (四)下面重点介绍一下X射线在表面分析中的原理及应用 X射线光电子能谱法(X-ray Photoelectron Spectrom-----XPS)在表面分析领域中是一种崭新的方法。虽然用X射线照射固体材料并测量由此引起的电子动能的分布早在本世纪初就有报道,但当时可达到的分辩率还不足以观测到光电子能谱上的实际光峰。直到1958年,以Siegbahn为首的一个瑞典研究小组首次观测到光峰现象,并发现此方法可以用来研究元素的种类及其化学状态,故而取名“化学分析光电子能谱(Eletron Spectroscopy for Chemical Analysis-ESCA)。目前XPS和ESCA已公认为是同义词而不再加以区别。 XPS的主要特点是它能在不太高的真空度下进行表面分析研究,这是其它方法都做不到的。当用电子束激发时,如用AES法,必须使用超高真空,以防止样品上形成碳的沉积物而掩盖被测表面。X射线比较柔和的特性使我们有可能在中等真空程度下对表面观察若干小时而不会影响测试结果。此外,化学位移效应也是XPS法不同于其它方法的另一特点,即采用直观的化学认识即可解释XPS中的化学位移,相比之下,在AES中解释起来就困难的多。 1 基本原理 用X射线照射固体时,由于光电效应,原子的某一能级的电子被击出物体之外,此电子称为光电子。如果X射线光子的能量为hν,电子在该能级上的结合能为Eb,射出固体后的动能为Ec,则它们之间的关系为: hν=Eb+Ec+Ws 式中Ws为功函数,它表示固体中的束缚电子除克服各别原子核对它的吸引外,还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面,即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为: Eb=hν-Ec-Ws 可见,当入射X射线能量一定后,若测出功函数和电子的动能,即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出,因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱仪的基本测试原理。 2 仪器组成 XPS是精确测量物质受X射线激发产生光电子能量分布的仪器。具有真空系统、离子枪、进样系统、能量分析器以及探测器等部件。XPS中的射线源通常采用AlKα(1486.6eV )和MgKα(1253.8eV),它们具有强度高,自然宽度小(分别为830meV和680meV)。CrKα和CuKα辐射虽然能量更高,但由于其自然宽度大于2eV,不能用于高分辩率的观测。为了获得更高的观测精度,还使用了晶体单色器(利用其对固定波长的色散效果),但这将使X射线的强度由此降低。 由X射线从样品中激发出的光电子,经电子能量分析器,按电子的能量展谱,再进入电子探测器,最后用X Y记录仪记录光电子能谱。在光电子能谱仪上测得的是电子的动能,为了求得电子在原子内的结合能,还必须知道功函数Ws。它不仅与物质的性质有关,还与仪器有关,可以用标准样品对仪器进行标定,求出功函数。 3 应用简介 XPS电子能谱曲线的横坐标是电子结合能,纵坐标是光电子的测量强度(如下图所示)。可以根据XPS电子结合能标准手册对被分析元素进行鉴定。 XPS是当代谱学领域中最活跃的分支之一,虽然只有十几年的历史,但其发展速度很快,在电子工业、化学化工、能源、冶金、生物医学和环境中得到了广泛应用。除了可以根据测得的电子结合能确定样品的化学成份外,XPS最重要的应用在于确定元素的化合状态。 当元素处于化合物状态时,与纯元素相比,电子的结合能有一些小的变化,称为化学位移,表现在电子能谱曲线上就是谱峰发生少量平移。测量化学位移,可以了解原子的状态和化学键的情况。 例如Al2O3中的3价铝与纯铝(0价)的电子结合能存在大约3电子伏特的化学位移,而氧化铜(CuO)与氧化亚铜(Cu2O)存在大约1.6电子伏特的化学位移。这样就可以通过化学位移的测量确定元素的化合状态,从而更好地研究表面成份的变化情况。   X光电子能谱法是一种表面分析方法,提供的是样品表面的元素含量与形态,而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段,利用XPS作为分析方法,则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。 (1)通过测定物质的表层(约10nm),可以获得物质表层的构成元素和化学结合状态等方面的信息。 解析基板表层附着物 ,解析金属薄膜等的氧化状态,计算自然氧化膜厚度,解析CF系醋酸膜,评价金属材料的腐蚀,测定磁盘润滑膜厚度,解析各种反应生成物 • 宽幅扫描测定 ( 2).应用角度分解法进行的分析 通过改变光电子的取出角度,可以采用非破坏性的方法得到深度方向的信息。另外,浅化光电子的取出角度,可以提高超表层的灵敏度。 局部扫描测定 (五)对羊毛纤维分别进行氧化处理和氯化处理 用X射线光电能谱仪对改性前后的毛纤维进行表面元素分析和基团分析,研究羊毛表面化学结构的变化情况,从微观上分析羊毛的改性机理。测试结果表明:经过氧化改性的毛纤维表面增加了锰元素,氯化改性后的毛纤维表面增加了钠、氯和硫元素。毛纤维原有的接氨基基团经过改性后都被打断而接入了含其它元素的基团。 下面介绍一种新型的X射线光电子分析仪 型号:美国PE公司PHI-5400型 基本原理: X射线光子的能量在1000~1500ev之间,不仅可使分子的价电子电离而且也可以把内层电子激发出来,内层电子的能级受分子环境的影响很小。 同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很小,故它是特征的。光子入射到固体表面激发出光电子,利用能量分析器对光电子进行分析的实验技术称为光电子能谱 用  途:   对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析。 固体样品表面的组成、化学状态分析,广泛应用于元素分析、多相研究、化合物结构鉴定、富集法微量元素分析、元素价态鉴定。此外在对氧化、腐蚀、摩擦、润滑、燃烧、粘接、催化、包袱等微观机理研究;污染化学、尘埃粒子研究等的环保测定;分子生物化学以及三维剖析如界面及过渡层的研究等方面有所应用。 转自:http://bbs.sciencenet.cn/thread-21472-1-1.html
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[转载]PWscf计算IR和Raman谱的步骤和注意事项
plgongcat 2014-11-6 19:06
【原创】PWscf计算IR和Raman谱的步骤和注意事项 1、建立你所需要的晶体结构 在这步中,最重要的是测试 1)赝势; 2)pw.x是否能找到晶体的全部对称性; 2、vc-relax relax等,这取决于你是否想让你计算的结构加压力,或者应力什么的。 前面两步是前提,但这里就不多说了,我主要谈谈如何计算红外和拉曼谱 3、用优化好的晶体结构进行scf计算 输入文件: CONTROL title = scf, prefix = 'ph' calculation = 'scf' , restart_mode = 'from_scratch' , wf_collect = .false. , outdir = './' , pseudo_dir = './' , etot_conv_thr = 1.0d-5 , forc_conv_thr = 1.0d-4 , tstress = .true. , tprnfor = .true. , nstep = 100 , / SYSTEM ibrav = 4, celldm(1) = 7.1928551712, celldm(3) = 1.6400783135, nat = 4, ntyp = 2, ecutwfc = 80, nosym = .false. , / ELECTRONS electron_maxstep = 100, conv_thr = 1.D-12, / ATOMIC_SPECIES S 32.066 16-S.GGA.fhi.UPF Zn 65.409 30-Zn.GGA.fhi.UPF ATOMIC_POSITIONS crystal S 0.333333333 0.666666667 0.374653315 S -0.333333333 -0.666666667 0.874653315 Zn 0.333333333 0.666666667 0.000346685 Zn -0.333333333 -0.666666667 0.500346685 K_POINTS automatic 16 16 16 0 0 0 结果文件中,有 12 Sym.Ops. (no inversion) 这说明pw.x找到了12个对称操作。如何判断pw.x找到了全部对称操作呢?我是根据materials studio判断的,这个问题有空再讨论。 总之,pw.x一定要找到全部的对称操作才行。 注意点: 除了要找到全部对称性外,另外就是使用较密的k-mesh,为后续的声子性质计算做准备; 还有一个需要注意的,我这里用了模守恒赝势,是从abinit网站上下的,然后用fhi2upf.x工具转换的,在pwtools下有。 4、用ph.x计算gamma点的声子性质,即一阶红外和拉曼性质 ph.x ph.in ph.out ph.in 文件如下 phonon calculation for ZnS inputph tr2_ph=1.0d-12, prefix='ph', epsil=.true., trans=.true., lraman=.true., amass(1)=32.066, amass(2)=65.409, outdir='./', fildyn='ZnS_IR.dynG', fildrho='ZnS_IR.drho', / 0.0 0.0 0.0 这里我要说明下 tr2_ph=1.0d-12, 这好像是默认值,可以调高些,计算量增加的不多,但是能够提高声子的计算精确度; epsil=.true., trans=.true., lraman=.true., 这三个设置成true,就能计算红外和拉曼了 fildyn='ZnS_IR.dynG', 这个是输出的动力学矩阵文件,在后处理中需要对该文件处理,大家可以看看里面是什么内容; 下面贴出ph.out 文件的最后输出信息 q = ( 0.000000000 0.000000000 0.000000000 ) ************************************************************************** omega( 1) = 1.007969 = 33.622437 omega( 2) = 1.274035 = 42.497508 omega( 3) = 1.274035 = 42.497508 omega( 4) = 2.280533 = 76.070895 omega( 5) = 2.280533 = 76.070895 omega( 6) = 6.220740 = 207.502947 omega( 7) = 8.545154 = 285.037559 omega( 8) = 8.616679 = 287.423368 omega( 9) = 8.616679 = 287.423368 omega(10) = 8.870194 = 295.879779 omega(11) = 8.870194 = 295.879779 omega(12) = 10.242682 = 341.661368 ************************************************************************** Mode symmetry, C_6v (6mm) point group: omega( 1 - 1) = 33.6 -- A_1 I+R omega( 2 - 3) = 42.5 -- E_1 I+R omega( 4 - 5) = 76.1 -- E_2 R omega( 6 - 6) = 207.5 -- B_2 omega( 7 - 7) = 285.0 -- A_1 I+R omega( 8 - 9) = 287.4 -- E_1 I+R omega( 10 - 11) = 295.9 -- E_2 R omega( 12 - 12) = 341.7 -- B_2 ************************************************************************** 看到了吧 频率大小,对称性都给出了,不可约表示也给出来了 但是红外,拉曼的强度没有给出 下面进行下一步! 5,用dynmat.x 计算红外和拉曼强度 dynmat.x ZnS001.in ZnS001.out ZnS001.in文件 input fildyn='ZnS_IR.dynG', asr='crystal', q(1)=0,q(2)=0,q(3)=1, filout='ZnS_001.out' filmol='ZnS_001.mold' filxsf='ZnS_001.axsf'/ 计算得到的 ZnS001.out文件 IR cross sections are in (D/A)^2/amu units Raman cross sections are in A^4/amu units multiply Raman by 0.140845 for Clausius-Mossotti correction # mode IR Raman depol 1 -0.00 -0.0000 0.0000 0.0155 0.7499 2 0.00 0.0000 0.0000 0.0372 0.7497 3 0.00 0.0000 0.0000 0.0132 0.7500 4 76.07 2.2805 0.0000 0.1087 0.7500 5 76.07 2.2805 0.0000 0.1087 0.7500 6 207.50 6.2207 0.0000 0.0000 0.7115 7 288.35 8.6445 8.1445 1.6782 0.7500 8 288.35 8.6445 8.1445 1.6782 0.7500 9 295.88 8.8702 0.0000 2.3796 0.7500 10 295.88 8.8702 0.0000 2.3796 0.7500 11 341.66 10.2427 0.0000 0.0000 0.6960 12 350.25 10.5003 9.0605 3.2269 0.6959 IR 和 Raman 栏里就是表示计算的强度 可以自己写个小的进行高斯展宽的程序,那样就能画个拉曼谱了 如果有需要这个小程序的,可以站内消息联系。这里就不多谈这个小程序了 我的感觉: 1,计算红外和拉曼对系统的要求比较高,不是什么系统都是适合用来计算红外拉曼性质的。 比如强关联的体系,因为不好找赝势,而且需要很多测试。 2,红外和拉曼的计算量还是挺大的,ph.x的运行时间比较久,所以大的系统,比如原子数比较多,或者对称性很低的晶体结构, 可能需要的时间更多。 3,小分子的红外和拉曼我没有计算过,但我觉得还是可以计算的。不过有些特殊的结构,比如有5重对称性的分子,C60,估计不好 计算。因为晶体群对称性中没有5重对称性,这样的话,由于对称性的减小,计算红外和拉曼将要花太多的时间。如果有计算过小分子 红外和拉曼的虫友,可以互相交流下。 4,提供下我发表的几篇简单的工作和我经常看的和红外拉曼计算相关的文献 Y. C. Cheng, H. T. Chen, X. X. Li, X. L. Wu, J. Zhu, S. H. Li, and P. K. Chu, J. Appl. Phys. 105, 083511 (2009). Y. C. Cheng, C. Q. Jin, F. Gao, X. L. Wu, W. Zhong, S. H. Li, and P. K. Chu, J. Appl. Phys. 106, 123505 (2009). J. Sun, X. F. Zhou, J. Chen, Y. X. Fan, H. T. Wang, X. J. Guo, J. L. He, and Y. J. Tian, Phys. Rev. B 74, 193101 (2006). M. Lazzeri, and F. Mauri, Phys. Rev. Lett. 90, 036401 (2003). S. Baroni, S. de Gironcoli, A. Dal Corso, and P. Giannozzi, Rev. Mod. Phys. 73, 515 (2001). From: http://emuch.net/html/201005/1999091.html
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Raman theory
plgongcat 2014-10-29 21:10
http://plaza.ufl.edu/dwhahn/Raman%20Scattering%20Theory.pdf http://wenku.baidu.com/link?url=BrHJ3Semx3TlDCr1Vqc61lrSDiG3VmfBRaOVIxhQc5BXsPlnTo2SpweScTw-3cCjse_vsCJI_YqPlV37vA9voiMzFa4Yor7ZOvtO4ar0r7y http://vdisk.weibo.com/s/aSKRHpcQmdXje
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水之魂16:为何加热和加盐对水的高频拉曼谱蓝移具有全同的效果?
热度 1 ecqsun 2012-12-28 09:33
Sun, Q., Raman spectroscopic study of the effects of dissolved NaCl on water structure. Vibrational Spectroscopy, 2012. 62 : 110-114.
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pwscf不能使用超软赝势计算raman
ywmucn 2012-5-7 10:49
PHonon can be used whenever PWscf can be used, with the exceptions of DFT+U, nonlocal VdW and hybrid functionals. USPP and PAW are not implemented for higher-order response calculations. On Dec 7, 2009, at 24:01 , damien wrote: I wanted to know if, in a near future, it will be envisaged to have an implementation of Raman spectra with Ultra Soft or/and PAW pseudopotentials? You need to perform a 2nd-order response calculation to an electric field with USPP or PAW. It is not a trivial extension. P. --- Paolo Giannozzi, Dept of Physics, University of Udine via delle Scienze 208, 33100 Udine, Italy Phone +39-0432-558216, fax +39-0432-558222 转自: http://www.democritos.it/pipermail/pw_forum/2009-December/015405.html
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PWSCF为什么不能计算金属的Raman光谱
ywmucn 2012-5-5 15:36
前几天使用pwscf计算金属的Raman光谱失败,所以就到Pw_forum上去寻找原因,似乎pwscf只能计算拥有带隙的系统的Raman光谱( they are well defined only for insulators ),它不能处理金属性体系的极化,或者说它处理极化的方法是针对半导体或绝缘体的,不适用于金属性体系。 On Jan 14, 2008, at 11:50 , Miriam Marques wrote: I am emailing a previous unanswered question. Is it possible to calculate Raman intensities for "metallic systems" such as hcp-metals: Zn, Fe, Zr, Mg, high pressure phases of oxygen or high pressure phases of alkali metals using the ESPRESSO code? it depends: what is the expression of Raman intensities in "metallic systems"? The usual definition of Raman intensities in the nonresonant limit via derivatives of the polarizabily (this is what is calculated in Q-E) does not apply to metals. P. --- Paolo Giannozzi, Dept of Physics, University of Udine via delle Scienze 208, 33100 Udine, Italy Phone +39-0432-558216, fax +39-0432-558222 from http://www.democritos.it/pipermail/pw_forum/2008-January/008152.html ============================================================= Dear Miriam: you and others will forgive my ignorance, but I would need some further explanations. According to the usual theory, they both should be zero:````````````````````` the second is given by Born effective charges (that are zero in metals), the former by the derivative of the inverse macroscopic electric constant (which is also zero). How can a metal be Raman or IR active? Thanks - SB On Dec 14, 2007, at 7:18 PM, Miriam Marques wrote: Dear ESPRESSO users, I would like to know if it is possible to compute Raman and Infrared intensities for a metallic system. Thank you very much in advance, Miriam. Dr. Miriam Marques Centre for Science at Extreme Conditions. The University of Edinburgh. e-mail: mmarques at staffmail.ed.ac.uk -- The University of Edinburgh is a charitable body, registered in Scotland, with registration number SC005336. _______________________________________________ Pw_forum mailing list Pw_forum at pwscf.org http://www.democritos.it/mailman/listinfo/pw_forum --- Stefano Baroni - SISSA DEMOCRITOS National Simulation Center - Trieste 040 3787 406 (tel) -528 (fax) / stefanobaroni (skype) from http://www.democritos.it/pipermail/pw_forum/2007-December/007975.html ==================================================================== 个人粗浅的以为:理论上来说,Raman的活性是polarization的改变,其实就是电子云形状的改变。在非晶体中,电子都被局限在晶格中,电子的运动都被局限于晶格之中,所谓的Raman活性检测到的其实是晶格的振动;而在金属晶体中,由于金属中的电子是自由运动的,可以说是一个大的电子气(不知道这种说法对不对),所以无法识别单个电子云形状的变化。不知道这样子理解对不对,请高手继续。 by pinguo from http://emuch.net/html/201001/1777354.html 金属没有拉曼光谱,拉曼测得是原子之间的键的振动,金属原子之间没有键,所以测不了 by nanbowan from http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20110418/3255293/ 1. 拉曼光谱是分子光谱,而金属都是原子结构的,所以金属没有拉曼光谱。 2. 这个问题要看拉曼效应产生的原理了。金属中不存在分子的振动,当然就没有拉曼谱了. 3. 很多原子构成的物质都有拉曼信号,比如硅的520波数线.拉曼测的是振动能级,声子能量,反映晶格振动的量子化能量的大小.金属表面电子和原子实构成的等离子体对光有强烈的吸收(金属的高反射性能也与此有关),使激光无法与内部原子作用,因此很难看到拉曼线.这是我根据自己已有知识的猜测,欢迎行内达人指正。 4. 也可以用光的波矢k为虚数来解释,当k为虚数时,光不能在此物质中传播。当然和光的频率w有关,用其它波长的光激发可以激发拉曼谱。 by haiying from http://bbs.antpedia.com/viewthread.php?tid=25951 拉曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动,因此从拉曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。楼主提出金属也有原子晶格的简谐振动,这个跟分子振动以及转动都不是一个概念,因为前者不涉及能级跃迁,而Raman谱反映能级信息的前提就是能级跃迁。Raman效应反映的不是分子简谐振动能级的信息,楼主可以仔细看看网页 http://baike.baidu.com/view/146359.htm ,我就不赘述了。 当然,楼主提出的其他3点都可以作为金属没有Raman特征峰的原因,归纳起来也就是一点:金属是具有电子自由气的原子晶体结构。 至于非晶为何没有Raman特征峰,我想原因可能是Raman特征峰是一个积分效果,需要晶体的周期性重复才能出来,对于非晶,某一位置的确发生拉曼散射,但是仪器是无法达到只有这一个或几个分子能级信息的精度,因此无法产生特征峰! 一家之言,望讨论! by from leongoall from http://emuch.net/html/201201/4010887.html
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[转载]Raman spectroscopy
PengJiDing 2012-3-8 14:49
from http://www.st-andrews.ac.uk/seeinglife/science/research/Raman/Raman.html Raman spectroscopy Raman spectroscopy relies on the scattering of light. In the same way that particles can be scattered through collisions with other particles, light can also be deflected when it interacts with matter. Upon interaction with matter, there can be four different types of energy exchange . Why is the sky blue? The sky looks blue because the tiny particles of dust and water in the air scatter the light from the sun. Blue light has a shorter wavelength and is scattered more than red light so the sky appears blue. As the light from the sun travels through more atmosphere more of the colours of light are scattered and the sun appears red. Raman Scattering Only 1 in every 30 million photons are inelastically, scattered and the photon transfers some of its energy to the molecule Rayleigh (ordinary) scattering is when the photon is absorbed to a higher virtual level and is instantly scattered (emitted) elastically back to the initial level. The photons emitted by Stokes-Raman scattering usually have a lower energy and frequency than that of the photons absorbed and these photons are inelastically scattered, transferring some of their energy to the molecule. The reverse is also possible; the photons emitted have a higher energy and frequency than the photons absorbed. This is called Anti-Stokes-Raman, but it is not likely at room temperature as electrons prefer to be in the ground state. Raman Spectroscopy Raman Spectroscopy is a vibrational spectroscopy technique used to collect a unique chemical fingerprint of molecules. Each molecule has a different set of vibrational energy levels, and the photons emitted have unique wavelength shifts. Vibrational spectroscopy involves collecting and examining these wavelength shifts and using them to identify what is in a sample. Different peaks in the spectrum correspond to different Raman excitations. Uses Raman Spectroscopy produces information about a cell. It tells you about the state of the cell, and possibly whether or not it is virally infected and whether or not it is cancerous, precancerous, or not cancerous. It can be used to study HIV and malaria. A laser is shone at the cell and the information needed is extracted from the spectra obtained. Enhancements Unfortunately Raman scattering is a rare event, roughly 1 in every 30 million photons is Raman scattered. This means that it takes a long time to get a signal, which can also be highly masked by fluorescence or other interference. An improved signal to noise ratio is required to reduce acquisition time. A laser is normally used as a light source to increase the photon density. The photons from the laser, with frequency in the visible range, provide monochromatic excitation. Another way to enhance Raman spectroscopy is to make the virtual level in the Jablonski diagram above a real level. Normally no energy level actually exists at this energy value. This process is called resonance Raman scattering . It chooses an incident wavelength at which the molecular unit absorbs and selectively excites the vibrations of this unit. Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), is another technique used to improve Raman based on metallic surfaces that has proved to be very successful, and by combining Raman spectroscopy with optical trapping we get the Raman tweezers that can be used to study the behaviour of entire cells simultaneously. Advantages Although another vibrational spectroscopy technique, infrared spectroscopy (IR), is more sensitive than Raman, it does not work well for aqueous solutions since it suffers from large water absorption effects. Raman does not suffer from these absorption effects and needs little or no sample preparation. It also has the added advantage that the spectra are generally unaffected by temperature changes, and that the concentration of the particular species is directly proportional to the intensity of spectral features shown. Raman gives an objective and accurate result reducing the time delay for receiving diagnosis and does not require chemicals to be added to samples. This was a contribution from Kirsty Scott, one of our undergraduate project students.
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亲生儿子如是说:物理学家拉曼是个大骗子
热度 19 hongfei 2011-9-28 13:21
亲生儿子如是说:物理学家拉曼是个大骗子 2011.09.27 首先声明,这篇是八卦。 2011年9月19-23日,是所谓的National Postdoc Appreciation Week。PNNL实验室在今天下午举行了个小活动,百来个博士后和一些研究人员有个小聚会,吃吃点心,喝喝啤酒之类。 National Postdoc Appreciation Week网页链接: http://www.nationalpostdoc.org/meetings-and-events/appreciation 聚会的时候和一位做理论的印度同事聊天,他又给讲了些印度物理学家Raman的离奇故事,觉得有必要把它们写下来以免忘记。 这位同事的故事虽然离奇,但都是可信的。这不仅因为他是一位严谨的科学家,而且还因为他的外公是Raman的小舅子,也就是说Raman的太太是他的舅姑婆,而且他外公还是印度比较著名的生物学家。他说当年他外公因为他父亲不是做学问的人而反对他父母结婚,还是Raman三言两语说服了他外公同意这门婚事。所以Raman生前和他父亲的关系还相当不错,他父亲经常到Raman家走动,陪Raman散步和聊天。只是他太小,如果不是在Raman去世后才出生,也就是根本不记得见过Raman本人这事儿。 维基百科C.V. Raman介绍链接:http://en.wikipedia.org/wiki/C._V._Raman 同事说他记得三十多年前他还是小孩的时候,有位衣衫褴褛的人来他家敲门。他母亲开门后却没认出是谁,这人于是用流利的英文说到:“连我也不认得了吗?还真以为我是叫花子哪?”在印度叫花子是不会说流利的英文的。他妈妈听声音才认出来是自己的表兄,印度大物理学家Raman的大儿子Chandrasekhar。 同事说,Raman的大儿子Chandrasekhar之前本来是个非常优秀的律师,一表人才,优秀的演说家,奋斗下去完全有机会成为未来的印度总检察长之类的人物。可是Raman本人却坚决认为律师是个不正当的职业,而且更绝的是还因为这些事情跟他断绝了父子关系(disownedhim)。因为Raman在印度社会是如此重要的人物,而且印度社会又重视门阀和种姓,这样Chandrasekhar在社会上就没法继续混下去了,后来的命运也很悲惨。深受打击之下,他非常愤恨自己的父亲,逢人就说他父亲是世界上最大的骗子,说他相信Raman的那个1930年的Nobel物理学奖根本就应该是属于Raman的学生Krishnan,因为他第一个观察到了微弱的Raman散射谱线。 同事说他父亲曾经跟他的表兄解释过很多次,Krishnan作为Raman的学生或者助手,即使是第一个观察到了Raman谱线,也并不一定就是发现和理解这个现象的最重要的人。况且,Krishnan也没有声称自己才是最应该获得这项Nobel奖。可是Chandrasekhar就是不服,坚决声称他父亲是世界上最大的大骗子。 Nobel网站Raman关于Raman现象的诺贝尔演讲内容链接: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1930/raman-lecture.pdf (抱歉,您要是上不了Nobel网站,不要怪我。) 我自己因为做超快界面非线性光谱学的原因,最近也在顺便做一些关于受激Raman光谱的研究。尽管很长时间以来也读过不少关于各种各样的Raman光谱研究的论文,又有一位印度师兄是印度加尔各答Raman发现以他的名字命名的Raman现象的Indian Association for the Cultivation of Science的物理化学系的掌门,但实话实说,自己以前还真没太注意关于Raman的故事,直到碰到Raman的这位后辈亲戚。他的办公室和我的办公室在同一条走廊上,相距不过十米之遥。 Indian Association for the Cultivation of Science网页上的历史介绍: http://www.iacs.res.in/iacs_history.html 另外一件有意思的事情,是Raman的亲侄子Subrahmanyan Chandrasekhar于1983年获得诺贝物理学奖。以前看过Chandrasekhar的自传,发现他也对他的这位亲叔叔很有意见,而他妈妈最大的愿望就是自己的儿子在Raman活着的时候也获得诺贝尔物理学奖,免得Raman老是不待见他们这家人。因为对Raman有意见,Chandrasekhar选择根本不回印度,也很少和印度科学界打交道。很不幸,Raman于1970年去世,而Chandrasekhar在25岁左右就做出了令他获得Nobel物理学奖的工作,却因为当年爱丁顿的捣乱,他在1983年73岁时才获得Nobel奖。所以,Chandrasekhar终于没有让他妈妈如愿地在他的亲叔叔Raman面前扬眉吐气。 维基百科上Subrahmanyan Chandrasekhar的介绍链接: http://en.wikipedia.org/wiki/Subrahmanyan_Chandrasekhar Chandrasekhar的自传《孤独的科学之路》信息链接: http://book.douban.com/subject/1970216/ 对于Raman是不是大骗子这个问题,我的答案当然是:不是。尽管连Raman的亲儿子也坚持说是。 另外,用Chandrasekhar的学生杨振宁先生的所谓美与物理学的标准来看,Raman效应如果换成Krishnan效应,说起来太拗口,写起来也不简便,肯定是件不美的事情。 当然,前些年王朔同学对于杨振宁的美学标准很有意见,专门写了一本自传体小说《看上去很美》加以驳斥。 这是后话。
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