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定量--第一节

2026-04-13 22:28阅读:
先框定个章节内容吧。
其他的都还好说,激光器确定了,参数也就确定了;探测器确定了,参数也就确定了;这个激光器和这个探测器的组合,是否能够完成测试任务,就要看到底有什么信号,有哪些干扰源,最终信号有没有机会从干扰源中脱颖而出。这么分析之后,就知道落点了:信号是什么?干扰源是什么?分别是什么量级的?
回到葡萄糖粉末的拉曼光谱曲线绘制来说,难点就在于分析从激光输出到产生拉曼光谱再到探测的整个物理过程说清楚,落在最终能给到探测器的光信号有多少上。然后就可以聚焦分析探测器的性能了。所以,物理过程,是必须要面对的。
激光器发出的激光,无论是脉冲的还是连续的,经过光路的损耗和变化,可以仿真和实测,一般在输出功率的基础上加一个百分比,就大致可以定量了。这个已经成功定量的激光照射在葡萄糖粉末上,产生的拉曼光谱,是怎样量级的呢?这组被分化了的光,哪些是有用信号哪些是探测器需要的信号?这部分,是我需要打通的。接下来,就是概念清晰的时间。
好的,第一节,就用来说清楚概念;第二节,基于概念讲清楚原理;第三节,基于全部梳理清楚的过程,把数值计算出来;第四节,是我贯穿始终,并在这一节要充分展示的,一些后续分析及拓展吧。口水特别多的人就是这样,啰啰嗦嗦讨厌的紧,自言自语跟个话痨似的,还自鸣得意乐在其中,也是心态极好。
什么是拉曼光谱?
说来话可是相~~当的长!要说拉曼光谱,得先说弹性碰撞和非弹性碰撞;说完碰撞,基于此展开说一下散射,散射还得分两种:瑞利散射和拉曼散射;说到拉曼散射,就顺便说一下斯托克斯散射和反斯托克斯散射,还得说说拉曼位移;说到拉曼位移,就不能不说引起拉曼位移的分子的振动和转动,然后顺便说说分子的振动状态啦、官能团啦、偶极矩啦。
哎呀,我这嘴撇的呀,没眼看了。若是续着山羊胡,此刻很大概率已经扯下好几zuoer了。
撇归撇,该说的还是得说,绕不过。

也挺好,这几年我整理着一个越来越庞大的“我的各种疑问”,上面提到的很多词汇都在那里出现过。不过出现了之后具体是搞明白了还是只是打个点扔那了,还真不太好纠结。总之是有些亲切的。
弹性碰撞和非弹性碰撞在高中物理里面会讲到,碰撞前后动能和动量都守恒的碰撞就是弹性碰撞,这个过程中动能没有转化成任何其他形式的能;碰撞前后动能不守恒,动量守恒的碰撞是非弹性碰撞,这个过程中部分动能转化成内能或者其他形式的能,所以动能减少了;动能减少最多的碰撞是完全非弹性碰撞,碰撞后两个物体一起运动了。至于为什么这种形态下动能减少最多,有兴趣的好奇宝宝可以自行推导。
在光与物质相互作用的过程中,就要用到弹性碰撞和非弹性碰撞。光子与分子的碰撞,也涉及。在我以往的认知里,提到光与物质的作用,通常是光和组成物质的原子的电子之间的相互作用。这里为什么要说分子呢?分子和原子不同的情况是,一旦说原子,通常理解为原子的外层电子,而同一种原子的外层电子要描述有很多种状态,好像又不太好说,而一旦说分子,因为化学键的存在,貌似有很多状态的可能性就大很多了。或者说一旦对某些情形下的电子不同状态做描述,就免不了又讲到化学键,那么干脆用分子来表达就不用增加这一个环节,听起来是合理的。
简单的分一下类,光与物质发生相互作用的时候,
光子与物质发生了完全非弹性碰撞:光子被捕获,完成了光热、光伏或光电效应、纳秒尺度的荧光或时间尺度更宽的磷光辐射等,此时发生了光子的吸收
光子与物质发生了弹性碰撞:光子的能量没有变化,方向发生了变化。此时发生了散射
天空的不同颜色
这里面需要对碰到的物质的大小做区分:举个例子:水分子约0.4nm,空气分子约0.35nm,云雾中的水滴约1~100um,根据云雾的状态有波动。而可见光波长在380-760nm范围内,红外光波长>760nm
当光的波长大被碰撞粒子的尺寸小时,发生的是瑞利散射。瑞利散射和波长相关,若是短波长的光子发生瑞利散射的概率越大,所以天空中撞到空气分子上发生弹性碰撞的光子中,蓝紫色的短波光子发生瑞利散射比例高,为我们呈现了湛蓝色的晴天的天空。而晚上因为斜入射的路径更长,一路撞到把短波长的光都撞没了,只留下红色的霞光到达我们的眼睛。
当光的波长与被碰撞粒子的尺寸相当,此时发生的弹性碰撞是米氏散射。迷失色散与波长关联不大。所以当光穿过云层时,各种波长的光都被散射,就让我们看到了白云。
当我们感慨造物主给我们绘制很美的图画时,其实是光这个调皮的小画家在到处撞来撞去泼出五颜六色形态各异的墨。
反射
光除了撞在小分子大分子上之外,更多的被我们感知到的是撞在各种实体物体上。此时表现出来的,物理课本上学到的是镜面反射和漫反射。
其实,这两个也都是弹性碰撞下的散射,只是此时撞在的物质又是另一种情形了。
首先,物质实体固态(或液态)而非气态,分子间的连接就不像气态分子那样松散,被光子撞上之后的表现也就不一样。
其次,仍旧是分子间的排布,如镜面的,就表面的凹凸非常小,比波长还小;如墙壁或纸面的,就表面的凹凸很大,比波长大得多。这两种不同物质表面状态,就是镜面反射和漫反射的原因。

前面用那么大的篇幅说明了光子与物质发生了弹性碰撞和完全非弹性碰撞的情形。接下来说的,就是最后一种情形:当光与物质发生弹性碰撞时,会发生什么?
结合物理上的碰撞后表现,基本上能猜到接下来会发生什么了。原光子的能量发生了变化,即波长发生了偏移。听起来是多么神奇的事情,可是放在物理规律面前,就很自洽。说起来还怪美的~
在普遍发生的弹性碰撞中,会有很小的概率,光子与物质发生了普通的非弹性碰撞,这个时候就像光子撞在很多物质分子的坚硬的化学键被反弹,偏偏有一些光子撞在了在淘气摆动的化学键上,这时候,光子就不是原速度被反弹回去,而是快速被反弹的同时,速度发生变化了。宏观上看到的,就是光子的频率发生了变化。这个事件发生的概率非常低,通常是千万到亿分之一的比率。
这种碰撞被两个牛人发现,就分别用他们的名字命名:拉曼散射和布里渊散射。

拉曼光谱是利用拉曼散射现象发展出来的一种物质分析技术。
至此,心心念念的拉曼光谱,终于隆重登场了。
至于前面说了一大堆的什么斯托克斯散射、官能团啥的,就放到下一节里面有余力的情况下简单说两嘴吧。

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