Vortrag: Raman-Spektroskopie an Flüssigkeiten

Präsentation zum Thema: "Vortrag: Raman-Spektroskopie an Flüssigkeiten"—  Präsentation transkript:

1 Vortrag: Raman-Spektroskopie an Flüssigkeiten
Di : : SR./GMH 1. Teil, Theorie: Philippe Bourdin 2. Teil, Experiment: Jörg Schwöbel

2 1. Teil, Theorie: Philippe Bourdin
Molekülschwingungen Was ist der Raman-Effekt ? Geschichte und Gegenwart Theoretische Grundlagen Bestimmung der Polarisierbarkeit Depolarisationsgrad Fragen

3 Molekülschwingungen Einige Beispiele für Schwingungen in Molekülen Beispiel: CCl4 Tetraedische Form Punktgruppe Td N = 5 Atome Freiheitsgrade: 3N = 15 davon Schwingungen: 3N = 9 komplette Erhaltung der Symmetrie

4 Molekülschwingungen Ähnliche Schwingungen eines Moleküls Beispiel: CHCl3 teilweise Erhaltung der Symmetrie ähnliche Schwingung, verschiedenen Raumrichtungen

5 Molekülschwingungen Manche Schwingungen erhalten die Symmetrie nur teilweise Beispiel: CH2Cl2 Ohne Schingung: zwei Spiegelebenen (parallel und senkrecht zur Bildschrimebene) sowie eine zweizählige Drehachse erhalten Mit Schwingung: nur eine Spiegelebene parrallel zur Bildebene

6 Molekülschwingungen Alle Schwingungsmoden von CS2 (3N - 6 = 3 Freiheitsgrade) Symmetrie total erhalten nicht erhalten nicht erhalten

7 Was ist der Raman-Effekt ?
Inelastische Streuung von Licht an Materie Das Streusystem (hier Moleküle) kann von der einfallenden Strahlung Energie aufnehmen oder an sie abgeben Probe Laser Streulicht

8 Was ist der Raman-Effekt ?
Der virtuelle Energiezustand (…) ist kein Eigenzustand Angeregt werden nur Rotations- und Schwingungszustände

9 Was ist der Raman-Effekt ?
Die Frequenzverschiebung ω entspricht Energiedifferenz des angeregten Rotations- oder Schwingungsübergangs Linien geringerer Frequenz werden „Stokes-Linien“ genannt die mit größerer Frequenz heißen „Anti-Stokes-Linien“ Anregungsfrequenz: Stokes-Linie: Anti-Stokes-Linie: Laser-Peak Wellenlänge Stokes-Linie Anti-Stokes-Linie

10 Was ist der Raman-Effekt ?
In Flüssigkeiten und Festkörpern beobachtet man bei Anregung mit einem HeNe-Laser (6328 Ǻ) hauptsächlich Übergänge zwischen Schwingungszuständen Nur etwa der 10-7te Teil der Eingangs-Intensität wird durch den Raman-Effekt gestreut, daher benötigt man leistungsstarke Laser und moderne Spektrometer Durch thermische Anregung können Moleküle bereits in einem höheren Schwingungszustand sein, weshalb Stokes- und Anti-Stokes-Linien beobachtet werden Anti-Stokes-Linien sind schwächer, da die Besetzung der höheren Zustände einer Boltzmann-Verteilung folgt

11 Geschichte und Gegenwart
Zur Namensgebung: Entdeckt 1928 von Chandra. Venkata Raman (* 1887, † 1970) Srinivasa Krishnan (* 1898, † 1961) Zur Geschichte: Vorhergesagt von Smekal, 1923 Nobelpreis in Physik, 1930 Seit 1960 große Bedeutung in der Chemie durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Laser und Fourier-Transform-Technik Raman Krishnan

12 Geschichte und Gegenwart
Anwendung des Raman-Effektes heute: Die Spektroskopie des Streulichts ermöglicht eine Charakterisierung molekularer Strukturen (Bindungen) Spektroskopie mit Lasern im sichtbaren und IR-Bereich Aktuelle Nachrichten: , University of Florida: Detektion von Sprengstoffen durch typische NO2-Gruppe in TNT, Nitroglycerin aber auch Plastiksprengstoffen; eindeutiges Signal knapp außerhalb des sichtbaren Rot (zufällige Entdeckung durch Student) Quelle:

13 Theoretische Grundlagen
Die Beobachtungen in diesem Versuch lassen sich größtenteils rein klassisch mit der Lichtstreuung erklären Durch das EM-Feld der einfallenden Strahlung wird ein oszillierendes elektrisches Dipolmoment induziert, welches seinerseits EM-Strahlung aussendet Das induzierte Dipolmoment wird geschrieben als: mit dem Polarisierbarkeits-Tensor

14 Klassische Beschreibung
Der Polarisierbarkeits-Tensor kann dabei wie folgt aussehen: PZ EZ y x z P PY PX a) b) c) Typischerweise c), aber symmetrisch => 6 Elemente reichen keine Diagonalform, normalerweise keine Elemente = 0

15 Klassische Beschreibung
Frequenzabhängigkeit des induzierten Dipolmoments: Betrachte nur X-Komponenten: Normalkoordinaten , daher Schwingungsabhängig Entwicklung um Gleichgewichtslage: Näherung mit harmonischem Oszillator (α linear in q):

16 Klassische Beschreibung
Mittels trigonometrischer Umformung: Das induzierte Dipolmoment P zerfällt in drei Terme Beide um ω verschobene Linien sind deutlich sichtbar Kein Raman-Effekt möglich, falls die Ableitung = 0

17 Klassische Beschreibung
Raman aktive und inaktive Schwingungen von CS2: Schon eine Komponente des Polarisierbarkeits-Tensors ungleich 0 reicht aus um den Raman-Effekt hervorzurufen -q q Raman aktiv Raman inaktiv

18 Bestimmung der Polarisierbarkeit
Einstrahlen mit polarisiertem Licht Spektroskopie der Streulicht-Komponenten In Flüssigkeiten und Gasen sind Moleküle ungeordnet => Abstrahlung in allen Richtungs-Komponenten Schematischer Versuchsaufbau zur Bestimmung von Einstrahlen in X-Richtung Messung in X-Richtung z x y O H PX Analysator Spektrometer Laser EX

19 Depolarisationsgrad Intensität in Y-Richtung (90° zum Laserstrahl)
Der Depoliarisationsgrad: In Flüssigkeiten und Gasen: (Wertebereich: 0 – 0,75) z x Spektrometer EX EY Laser y PX PZ Orientiertes (raumfestes) Streusystem

20 Raman-Spektroskopie Teil 2
Philippe Bourdin und Jörg Schwöbel

21 Digitale Schnittstelle
Aufbau Digitale Schnittstelle 4 Proben 90° Drehung Bild L1 L2 parallel

22 Aufbau Laser Probe Linsen 2 Spiegel Monochromator
L1 L2 parallel, fein grob Deckel, Tuch Blenden 2 Spiegel Monochromator

23 Eichung Skala stimmt Versatz ±1,5 Å Linearität ok

24 Spektrum Rayleigh-Peak Stokes-Linien Anti-Stokes- Linien Stokes größer
Digital Werte 0, 2, … Dunkelrate Raum dunkel sonst 25 statt 3 seltsame Peaks 712 => NICHT Raman

25 Geglättetes Spektrum Dunkelrate ? ?

26 CHCl3

27 CH2Cl2

28 CS2

29 Fit Gauß Bereich Geschwindigkeit

30 Zuordnung CCl4 Fehler Isotope

31 Polarisation Rayleighpeak kleiner bei 0° Weniger Peaks bei 0°
Spektrum relevanter Bereich polarisierte Linien nicht auszumachen Fit Fläche

32 Depolarisationsgrad Fehler aus - Fit
- Schwankung der Laserintensität (7%)

33 Schwankung des Lasers

34 Fit ohne Wichtung Geschwindigkeit

35 Zusammenfassung Die starken und mittelstarken Raman-Linien gefunden
Depolarisationsgrad weicht über den Fehler hinaus von den theoretischen Werten ab Anfängliche Probleme mit neuem PC gelöst