Die Versuchsanleitung und Teile der Aufgabenstellung wurden überarbeitet. Bei Fehlern oder Verbesserungsvorschlägen bitte direkt an Betreuer wenden.

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1 Raman-Spektroskopie Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene II Die Versuchsanleitung und Teile der Aufgabenstellung wurden überarbeitet. Bei Fehlern oder Verbesserungsvorschlägen bitte direkt an Betreuer wenden. Betreuer: Benjamin Gänger Raum: AG Widera Telefon: (0631)

2 Inhaltsverzeichnis I. Kurzbeschreibung... 2 II. Sicherheitshinweise... 3 III. Aufgabenstellung und Versuchsanleitung... 4 Kalibrierung Lock-In Verstärker Raman-Spektren von Tetrachlorkohlenstoff und Benzol Bestimmung einer unbekannten Probe Bestimmung des Ethanolgehaltes einer unbekannten Probe IV. Beschreibung und Bedienung der Geräte... 6 Schematischer Versuchsaufbau Weißlichtquelle Helium-Neon Laser Monochromator Monochromator Steuerung Photomultiplier mit Hochspannungsversorgung Vorverstärker Lock-In Verstärker mit Phasenschieber Oszilloskop V. Hinweise zur Versuchsdurchführung Justage der Apparatur Kalibrierung Aufnahme der Raman-Spektren Interpretation der Raman-Spektren VI. Hinweise zur Heftführung VII. Anhang Datenblätter und Handbücher Literatur Legende Hinweis Sicherheit

3 Kurzbeschreibung Der Schwingungs-Raman-Effekt besteht im Auftreten von schwingungs-inelastischen (Stokes) und superelastischen (Antistokes) Linien im Fluoreszenzspektrum von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. In diesem Praktikumsversuch sollen Sie Schwingungs-Raman-Spektren von verschiedenen flüssigen Substanzen aufnehmen und identifizieren. Um das Signal-Rausch-Verhältnis bei den Aufnahmen der Raman-Spektren wesentlich zu verbessern, werden Sie mit dem Lock-In-Verfahren vertraut gemacht. 2 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

4 Sicherheitshinweise Lesen die folgenden Sicherheitshinweise vor Versuchsdurchführung gründlich durch. Weitere Sicherheitshinweise finden Sie bei den jeweiligen Aufgabenstellungen, der Beschreibung der Geräte sowie in den Hinweisen zur Versuchsdurchführung. Diese sollen auch dazu dienen, dass die empfindlichen Komponenten des Aufbaus nicht durch unsachgemäße Handhabung zerstört oder beschädigt werden. Umgang mit den Proben In diesem Versuch arbeiten Sie mit zum Teil gesundheitsschädlichen Substanzen. Deswegen ist beim Umgang mit den Probenküvetten höchste Vorsicht geboten. Sollte eine der Küvetten beschädigt werden oder der Deckel undicht sein, so verlassen Sie den Raum umgehend. Benachrichtigen Sie den Betreuer und teilen Sie die Bezeichnung der Küvette mit. Vermeiden Sie in allen Fällen das Einatmen und den Hautkontakt mit den Substanzen. Das Essen und Trinken im Versuchsraum ist daher nicht gestattet. Lasersicherheit Sie verwenden in diesem Versuch einen Helium-Neon Laser, der Laserstrahlung der Wellenlänge 632,8 nm emittiert. Beachten Sie die Laserschutzbestimmungen, denn die Laserstrahlung kann zu irreparablen Augenschäden führen. Sehen Sie nie direkt in den Laserstrahl und vermeiden Sie Reflexe durch dejustierte optische Elemente sowie Probenküvetten oder spiegelnde Flächen (Armbanduhren, Schmuck etc.). Beachten Sie auch, dass es durch die Proben zu starker Streuung der Laserstrahlung kommt. Strahlunterbrecher Dieser Versuch ist mit einer Chopper-Lock-In Verstärker Kombination ausgestattet. Der Chopper unterbricht den Laserstrahl mit variablen Frequenzen im Bereich einiger 100 Hz. Greifen Sie niemals in das rotierende Chopper- Rad. Beachten Sie, dass sich das Rad auch nach dem Ausschalten des Choppers weiterdreht. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

5 Aufgabenstellung und Versuchsanleitung Führen Sie die folgenden Aufgaben in einer für Sie sinnvollen Reihenfolge durch. Kalibrierung Wellenlängenkalibrierung des Monochromators Machen Sie sich mit der Funktionsweise der Monochromatorsteuerung vertraut und führen Sie mit Hilfe der Hg(Ne) Pen-Ray-Lampe eine Kalibrierung des Monochromators. Auflösungsvermögen des Monochromators Bestimmen Sie aus der Linienbreite einiger Neon bzw. Quecksilber Peaks das Auflösungsvermögen des Monochromators. Nachweisgrenze des Photomultipliers Bestimmen Sie mit Hilfe einer Weißlichtquelle die Nachweisgrenze des Photomultipliers und vergleichen Sie das Ergebnis mit den Angaben aus den Datenblättern. Nachweiswahrscheinlichkeit für polarisiertes Licht Messen Sie mit Hilfe einer Weißlichtquelle die Nachweiswahrscheinlichkeit für vertikal und horizontal polarisiertes Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Lock-In Verstärker Phasenabgleich Machen Sie sich mit der Funktionsweise des Lock-in Verstärkers vertraut und führen Sie einen Phasenabgleich der Elektronik in Bezug auf das Choppersignal durch. Signalabschätzung Schätzen Sie mit Hilfe von Literaturwerten die zu erwartende Intensität der Rayleigh- und Raman-Linien ab. Vergleichen Sie dies mit Ihren Beobachtungen am Experiment. Optimierung und Charakterisierung Optimieren Sie das Signal einer Probe durch Variieren der Monochromator- und Verstärkereinstellungen. Schwächen Sie den Laserstrahl vor dem Auftreffen auf die Probe mit Graufiltern ab und versuchen Sie durch Verlängerung der Zeitkonstanten am Lock-In Verstärker und Anpassen der Scan-Dauer das Raman-Signal nach zu optimieren. Diskutieren Sie den Effekt der einzelnen Parameter anhand Ihrer Messungen. Vergleich eines Übersichtsspektrums mit und ohne Lock-In Verstärker Nehmen Sie das Raman-Spektrum einer Substanz mit und ohne Lock-in Verstärker auf und vergleichen Sie die Messungen. 4 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

6 Raman-Spektren von Tetrachlorkohlenstoff und Benzol Depolarisationsverhalten des Rayleigh-Peaks Untersuchen Sie die Polarisationseigenschaften des Rayleigh-Streulichts von Tetrachlorkohlenstoff und Benzol, indem Sie die Polarisationsrichtung des Erregerlichtes durch Drehen des Lasers variieren. Erklären Sie den Einfluss der Substanz. Untersuchung des Raman-Spektrums Zeichnen Sie mit Hilfe des Monochromators die einzelnen Raman-Linien auf und bestimmen Sie deren Polarisationseigenschaften. Ordnen Sie den gemessenen Raman-Linien die entsprechenden Molekülschwingungen zu. Gehen Sie dabei auch auf den zugehörigen gemessenen bzw. erwarteten Depolarisationsgrad ein. Bestimmung einer unbekannten Probe Untersuchung des Raman-Spektrums Zeichnen Sie mit Hilfe des Monochromators die einzelnen Raman-Linien und bestimmen Sie deren Polarisationseigenschaften. Analyse der Stoffstruktur und Zuordnung der Linien Interpretieren Sie die gemessenen Linien um auf charakteristische Merkmale der Struktur der unbekannten Probe schließen zu können. Bestimmung des Ethanolgehaltes einer unbekannten Probe Untersuchung der Referenzproben Ihnen stehen Küvetten mit destilliertem Wasser, Ethanol sowie verschiedenen Mischverhältnissen von Ethanol und Wasser zur Verfügung. Nehmen Sie die Raman-Spektren aller Proben auf und untersuchen Sie die Abhängigkeit der gemessenen Signale vom Ethanolgehalt. Bestimmung des Ethanolgehaltes einer unbekannten Probe Bestimmen Sie mit Hilfe der aus den Raman-Spektren der Referenzproben gewonnenen Erkenntnisse den Ethanolgehalt der unbekannten Probe. Zusatzaufgabe Bestimmen Sie in Rücksprache mit dem Betreuer den Alkoholgehalt eines selbst mitgebrachten Getränks. Es werden ca. 4 ml Flüssigkeit benötigt. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

7 Beschreibung und Bedienung der Geräte Schematischer Versuchsaufbau Abbildung 1 Schematischer Versuchsaufbau Weißlichtquelle Zur Charakterisierung von Monochromator und Photomultiplier steht am Versuch eine Quartz Tungsten-Halogen Lampe zur Verfügung. Diese strahlt im Bereich 400 nm bis 2200 nm ein kontinuierliches Spektrum ab. Die Farbtemperatur der Lampe beträgt 2800 K, die typische optische Ausgangsleistung liegt bei 50 mw. Schauen Sie nicht im Betrieb in die Lampe. Die Lampe darf nicht bei offener hinterer Schutzkappe betrieben werden. Vermeiden Sie Erschütterungen, da diese die Lampe beschädigen können. Fassen Sie den Leuchtkörper nicht mit bloßen Händen an. Führen Sie die Messungen mit der Lampe möglichst am Stück durch, um unnötige Ein- und Ausschaltvorgänge zu vermeiden. Wenn die Lampe nicht mehr benutzt wird schalten Sie diese aus, lassen Sie die Lampe abkühlen und schließen Sie die vordere Schutzkappe. Die Lampe wird mit dem beiliegenden Steckernetzteil auf Stellung 12 V verwendet. Der Anodenstrom darf 0,1 ma nicht überschreiten. Bei Aufnahmen mit der Weißlichtquelle reichen Spannungen von ca. 300 V aus. Nutzen Sie zusätzlich einen T=20 % Graufilter zur Abschwächung der Weißlichtquelle. Helium-Neon Laser Auf Grund der zur Raman-Spektroskopie benötigten hohen Intensitäten wird in diesem Versuch ein Laser verwendet. Dieser Helium-Neon Laser emittiert Laserstrahlung der Wellenlänge 632,8 nm bei einer Leistung von maximal 50 mw. Der Laser kann über einen Strahlverschluss an der Austrittsöffnung blockiert bzw. freigegeben werden. Blockieren Sie den Laser, wenn dieser nicht benötigt wird, um Streustrahlung zu vermeiden. Der Laser kann während der gesamten Praktikumsdauer eingeschaltet bleiben. Beim Verlassen des Versuchsraumes ist also ein Blockieren des Lasers ausreichend. 6 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

8 Monochromator Doppelmonochromatoren finden immer dann Anwendung, wenn es darauf ankommt den Streulichtpegel auf ein Minimum zu begrenzen. Wegen der geringen Intensität der Raman-Linien ist es daher sinnvoll einen Doppelmonochromator zu verwenden. Der Doppelmonochromator besteht aus zwei baugleichen Einfachmonochromatoren, die so hintereinander angeordnet sind, dass der Austrittsspalt des ersten mit dem Eintrittsspalt des zweiten zusammenfällt. Bei dem hier verwendeten Monochromator handelt es sich um einen Gitterspektrographen in Czerny-Turner Anordnung (Abbildung 2). Abbildung 2 Aufbau und Funktionsweise eines Czerny-Turner Monochromators. Mit Hilfe des Eintrittsspaltes (B) und eines Hohlspiegels (C) wird polychromatisches Licht (A) parallel auf ein optisches Gitter (D) geleitet, das die verschiedenen monochromatischen Fraktionen in unterschiedlichen Winkeln reflektiert. Anschließend wird das Licht über einen zweiten Hohlspiegel (E) und Austrittsspalt (F) selektiert. Durch Veränderung des Winkels des optischen Gitters können unterschiedliche Wellenlängen ausgewählt werden (G). (Quelle: Das auf den Eintrittsspalt fokussierte Lichtbündel trifft zunächst auf einen um 45 zur optischen Achse geneigten Umlenkspiegel und wird dort auf einen Hohlspiegel reflektiert, der das divergente Lichtbündel parallel macht. Der Weg den der Lichtstrahl vom Eintrittsspalt bis zum Hohlspiegel zurücklegt entspricht gerade der Brennweite des Hohlspiegels. Mit einem Krümmungsradius von 50 cm ergeben sich für diese Wellenlänge demnach 25 cm. Das parallele Lichtbündel trifft dann auf das holographische Gitter (1800 l/mm) und wird von dort auf einen zweiten Umlenkspiegel reflektiert. Von dort aus gelangt der konvergente Strahl in die Ebene des Austrittsspaltes, wo sich das Photomultipliergehäuse befindet. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

9 Monochromator Steuerung Lesen Sie diese Anleitung vor Inbetriebnahme der Apparatur gründlich durch, um Schäden durch unsachgemäße Handhabung zu vermeiden Allgemeines Die Monochromatorsteuerung ermöglicht es Wellenlängen-Scans durchzuführen und hierbei die folgenden Parameter zu wählen Gitterstrichzahl der holographischen Gitter (hier 1800 l/mm) Anfangswellenlänge Endwellenlänge Schrittweite Messpausen zum Scannen der Schrittweite Durchlaufrichtung des Wellenlängen-Scans (aufsteigend oder absteigend) Zur besseren Handhabung sind in dieser Anleitung sowohl eine Abbildung des Tastenfeldes (Abbildung 3) als auch des Displays enthalten (Abbildung 4). Abbildung 3 Tastenfeld der Monochromator Steuerung (Quelle: Bedienungshandbuch Monochromator Steuersystem SD80 H25 Spectradata) 8 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

10 Abbildung 4 Display der Monochromator Steuerung (Quelle: Bedienungshandbuch Monochromator Steuersystem SD80 H25 Spectradata) Wellenlängenanzeige An der Seite des ersten Monochromators befinden sich eine Wellenlängenanzeige und eine Handkurbel, mit der der Monochromator auf die gewünschte Wellenlänge eingestellt werden kann. Die Anzeige ist jedoch abhängig von den im Monochromator verwendeten Gittern und stimmt nur für Gitter mit 1200 l/mm mit der tatsächlichen Wellenlänge überein. Da im Monochromator ein Gitter mit 1800 l/mm verwendet wird, muss die abgelesene Wellenlänge mit dem Faktor 2/3 multipliziert werden um die tatsächlich eingestellte Wellenlänge zu erhalten. Beispiel: 632,8 nm = 6328 Å entsprechen also einer Wellenlängenanzeige von 9492 Å am Monochromator. Inbetriebnahme und Steuerung Versichern Sie sich vor dem Einschalten der Monochromatorsteuerung, dass sich die Monochromator- Anzeige im Bereich zwischen 0 Å bis Å befindet. Sollte dies nicht der Fall sein, so drehen Sie den Monochromator mit Hilfe der Handkurbel in diesen Bereich. Drehen Sie nach dem Einschalten der Steuereinheit auf keinen Fall die Kurbel mit der Hand! a) Die Steuerung wird am Netzschalter auf der Rückseite des Gerätes eingeschaltet. b) Geben Sie den aktuellen Stand der Monochromator-Wellenlängenanzeige (in Ångström) mit Hilfe des Zahlenfeldes ein und Drücken der POSIT-Taste. Die eingegebenen Zahlen erscheinen in Feld 1 der Fluoreszenz-Anzeige. Falsch eingegebene Werte können vor dem Drücken der POSIT-Taste mit der CLX- Taste gelöscht werden. Eine akzeptierte Positionsangabe wird durch das Erlöschen der POSIT-Tasten-LED angezeigt. Sollten Sie nun entdecken, dass Sie einen Fehler gemacht haben, so können Sie die Eingabeprozedur nach dem Drücken der RESET-Taste von neuem beginnen. c) Nach einer korrekten Positionseingabe sind alle Funktionstasten des Steuergerätes freigegeben. Dies wird durch das Leuchten der LEDs angezeigt. Die Fluoreszenz-Anzeige ist wieder freigegeben. Geben Sie nun mittels des Zahlenfeldes die Anzahl der Gitterlinien (1800) ein. Diese erscheint in Feld 1. Drücken Sie danach die GRAT-Taste. Die Zahl 1800 wird in Feld 4 angezeigt. Eine blinkende Tasten-LED der Taste GRAT zeigt eine fehlende oder falsche Eingabe der Gitterstrichzahl an. Eine Korrektur ist auch hier mit der CLX- Taste möglich. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

11 d) Die Programmierung der restlichen Scan-Parameter geschieht nach folgendem Schema: Scan-Parameter Taste Kommentar Display Anfangswellenlänge W1 Geben Sie die gewünschte Wellenlänge in Nanometern über das Zahlenfeld ein. Drücken Sie anschließend die Taste W1. Endwellenlänge W2 Geben Sie die gewünschte Wellenlänge in Nanometern über das Zahlenfeld ein. Drücken Sie anschließend die Taste W2. Schrittweite WSTEP Geben Sie die gewünschte Schrittweite in Nanometern über das Zahlenfeld ein. Drücken Sie anschließend die Taste WSTEP. Messpausen TIME Es können Pausen von 10 4 s bis 10-3 s über das Zahlenfeld eingegeben werden. Drücken Sie anschließend die Taste TIME. Scan-Anzahl CYCL Geben Sie die gewünschte Anzahl an Scans über das Zahlenfeld ein. Drücken Sie anschließend die Taste CYCL. Die Anfangswellenlänge erscheint in Feld 1. Die Endwellenlänge wird in Feld 3 angezeigt. Die Schrittweite wird nicht angezeigt. Die Dauer der Messpause wird nicht angezeigt. Die Anzahl der Scans erscheint in Feld 5. e) Um die Richtung des Scans festzulegen müssen Sie den linken Kippschalter auf die entsprechende Stellung bringen. Für UPSCAN wird der Scan von der kurzwelligen Intervallgrenze zur langwelligen Intervallgrenze durchgeführt. Für DOWNSCAN entgegengesetzt. Der Kippschalter des Steuergerätes ist durch eine Sperrklinke gesichert, um unbeabsichtigtes Umschalten zu verhindern. Zum Betätigen des Schalters muss der Kipphebel angezogen werden. f) Durch Drücken der Taste START wird die Anfangswellenlänge angefahren. Die Kontroll-LED SLEW leuchtet und der Scan wird anschließend durchgeführt. Sie können den Scan durch Drücken der Taste PAUSE unterbrechen und durch nochmaliges Drücken von PAUSE an der unterbrochenen Stelle fortsetzen. Beachten Sie, dass durch Drücken der Taste START im PAUSE Zustand der Scan abgebrochen wird. Das System befindet sich wieder im Eingabe-Modus. Wenn die START-Taste erneut gedrückt wird, beginnt der Scan von vorne. Achten Sie unbedingt darauf, fass auch beim schnellen Durchlaufen des Wellenlängenbereichs (SLEW- Modus der Monochromatorsteuerung) über die Rayleigh-Linie der Photomultiplier abgeschottet wird. Für das Aufnehmen eines Scann ist es sinnvoll, während die Anfangswellenlänge angefahren wird (SLEW- LED leuchtet) die PAUSE-Taste zu drücken. Die Steuerung bleibt dann bei der Anfangswellenlänge stehen und der Scan kann durch nochmaliges Drücken der PAUSE-Taste begonnen werden. Beachten Sie: Das Drücken der START-Taste bleibt unwirksam, wenn eine der folgenden Tasten LEDs blinkt: POSIT, GRAT, W1, W2, WSTEP, TIME, CYCL. Überprüfung der Parameter Nach dem Drücken der Taste EXAM können Sie die eingegebenen Parameter überprüfen, indem Sie auf dem Tastenfeld die zugehörige Taste anwählen. Der EXAM-Modus kann durch Drücken der CLX-Taste wieder aufgehoben werden. 10 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

12 Schreibsteuerung mit dem Steuergerät Die Monochromatorsteuerung ist mit einem DA-Wandler ausgestattet (DAC-Ausgang auf der Rückseite der Steuereinheit). Bei einem Scan wird unabhängig von der Größe von 0 V bei der unteren Intervallgrenze bis 1,5 V bei der oberen Intervallgrenze variiert. Mit Hilfe dieser Rampe kann das Signal am Oszilloskop in Wellenlängen umgerechnet werden. Manueller Scan-Durchlauf Im normalen Scan-Betrieb befindet sich der zweite (rechte) Kippschalter stets in der Stellung LOCAL. Durch Umstellen dieses zweiten Schalters auf die Stellung MANUAL werden die Manuell-Tasten aus Abbildung 3 freigegeben. Durch Drücken dieser Tasten ist es möglich, mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten (einfacher oder doppelter Pfeil) den Schrittmotor in beide Richtungen zu steuern. Photomultiplier mit Hochspannungsversorgung Der Photomultiplier befindet sich in einem Gehäuse, das mit einem Adapter hinter dem Austrittsspalt des Monochromators befestigt ist. Es handelt sich hierbei um einen Multiplier mit seitlichem Fenster. Das Datenblatt finden Sie im Versuchsordner. Der Anodenstrom darf 0,1 ma nicht überschreiten. Zur Aufnahme des Rayleigh-Streulichts reichen Spannungen von ca. 500 V aus. Bei der Aufnahme der Raman-Spektren sollen 850 V nicht überschritten werden. Nutzen Sie bei Aufnahmen der Rayleigh-Streuung zusätzlich einen T=20 % Graufilter. Da die Empfindlichkeit des Photomultipliers und die Transmission des Monochromators wellenlängenabhängig sind, müssen die von Ihnen bestimmten Intensitäten der Raman- und Rayleigh-Linien mit der beigefügten Empfindlichkeitskurve korrigiert werden. Vorverstärker Mit dem Vorverstärker werden die sehr kleinen Photomultiplier-Signalströme in Gleichspannungen umgewandelt. Dies ist in der Low-Noise -Stellung mit Verstärkungen von 10 4 V/A bis V/A möglich. In der High-Speed - Stellung können Sie die Signalströme um den Faktor 10 6 V/A bis V/A verstärken. Achten Sie darauf, dass die rote Overload-LED nicht leuchtet. Drehen Sie gegebenenfalls auf eine geringere Verstärkung zurück oder verringern Sie den Signalstrom. Das Datenblatt ist im Versuchsordner enthalten. Achten Sie außerdem darauf, dass der AC- DC-Kippschalter auf DC steht. Zur Aufnahme der Raman-Linien benötigen Sie Verstärkerstufen bis 10 9 V/A. Zum Betrieb des Vorverstärkers ist eine ±15 V Spannungsquelle erforderlich. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

13 Lock-In Verstärker mit Phasenschieber Lesen Sie zur Funktionsweise des Lock-In Verstärkers die im Versuchsordner befindlichen Kopien mit dem Titel A Lock-In Primer sowie die Anleitungen zum Phasenschieber und phasensensitiven Detektor durch. In Abbildung 5 ist die im Versuch verwendete Phasenschieber-Einheit, in Abbildung 6 der phasensensitive Detektor dargestellt. Abbildung 5 Phasenschieber Abbildung 6 Phasensensitiver Detektor 12 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

14 Oszilloskop Am Zweikanal Digitaloszilloskop können alle relevanten Messdaten aufgezeichnet werden. Achten Sie darauf, dass für die Zuordnung der Wellenlänge immer das Referenzsignal der Monochromatorsteuerung angeschlossen sein muss. Die Messdaten können mit Hilfe des Programms OpenChoice als Abbildung des Monitors und die Daten der gewählten Kanäle als CSV-Datei am PC gespeichert werden. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

15 Hinweise zur Versuchsdurchführung Justage der Apparatur Das Wechseln der Proben oder von optischen Elementen im den Strahlengang darf nur bei abgedecktem Laser erfolgen. Richten Sie den Laserstrahl so aus, dass dieser die Küvette senkrecht zur Beobachtungsrichtung trifft. Vergewissern Sie sich, dass der Strahl nicht den Rand eines Spiegels trifft und somit zu gefährlichem Streulicht führt. Schieben Sie die Küvetten bei abgedecktem Laser in die Halterung hinein und achten Sie darauf, dass diese nicht verkratzt oder beschmutzt werden. Je nach Füllstand der Küvette kann sich eine Luftblase im Bereich des Erregerlichts befinden. Durch leichtes Ankippen und Fixieren der Küvette kann diese verschoben werden. Sprechen Sie gegebenenfalls Ihren Betreuer an, dass die Proben aufgefüllt werden müssen. Der Deckel der Küvetten muss verschlossen bleiben. Befestigen Sie nichts am Deckel oder zwischen Deckel und Küvette. Sollte eine Küvette dennoch geöffnet werden verlassen Sie umgehend den Raum und benachrichtigen Sie Ihren Betreuer. Schließen Sie den Schraubdeckel der Küvettenhalterung um den Laserstrahl nach dem Durchlaufen der Küvette zu blockieren. Der Laser darf nur eingeschaltet werden, wenn der Deckel der Küvettenhalterung geschlossen ist. Öffnen Sie den Laser und justieren Sie den Strahl so, dass die Küvette mittig getroffen wird. Ein schwacher Leuchtfaden bildet sich in der Flüssigkeit. Achten Sie darauf, dass der Laserstrahl nicht an den Küvetteninnenseiten reflektiert wird, da das dadurch entstehende Streulicht für die Messungen schädlich ist. Der Monochromator darf im Bereich der Laserwellenlänge (Rayleigh-Peak) nur mit reduzierter Spannung (max. 500 V) am Photomultiplier und zusätzlichem Graufilter betrieben werden. Bilden Sie nun mit Hilfe der am Versuch ausliegenden Linsen den Leuchtfaden auf den Eintrittsspalt des Monochromators ab. Stellen Sie den kalibrierten Monochromator auf die Wellenlänge des Lasers ein und maximieren Sie das Signal durch Feinjustage des Linsensystems. Zur Justage eignet sich besonders die Zusatzprobe mit in Ethanol gelöstem Salz. Kalibrierung Verwenden Sie zur Kalibrierung des Monochromators die am Versuch liegende Hg(Ne) Pen-Ray-Lampe. Ein entsprechendes Literaturspektrum finden Sie im Datenblatt der Lampe im Versuchsordner. Beachten Sie, dass das Neon-Spektrum nur mit erzwungener Luftkühlung zum Vorschein kommt. Der ausliegende Lüfter kann mit bis zu 12 V betrieben werden. Die Hg(Ne)-Lampe emittiert Strahlung im UV-Bereich. Bei direktem Einstrahlen auf Augen oder Haut kann es zu Gesundheitsschäden kommen. Schirmen Sie daher nicht zum Monochromator gerichtete Strahlung ab. 14 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

16 Aufnahme der Raman-Spektren Wegen der unterschiedlichen Intensitäten der Rayleigh- und Raman-Linien (siehe auch Signalabschätzung) ist bei der Aufnahme der Raman-Spektren große Vorsicht geboten, damit die Photomultiplier-Verstärker-Kombination nicht beschädigt wird. Wenn Sie einen Durchlauf über den gesamten Wellenlängenbereich (Aufnahme der Stokesund Anti-Stokes-Linien) durchführen, muss die Rayleigh-Linie durch Einbringen eines Filters in den Strahlengang abgeschwächt werden. Achten Sie unbedingt darauf, dass auch beim schnellen Durchlaufen des Wellenlängenbereichs (SLEW- Modus der Monochromatorsteuerung) über die Rayleigh-Linie der Photomultiplier abgeschottet wird. Interpretation der Raman-Spektren Als Anhaltspunkt zur Interpretation der Raman-Spektren finden Sie im Anhang eine Tabelle mit Gruppenfrequenzen organischer Verbindungen. Versuchen Sie an Hand dieser die charakteristischen Linien den Verbindungen zuzuordnen und somit auf die unbekannte Substanz zu schließen. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR

17 Hinweise zur Heftführung Erforderliche Kenntnisse Orientieren Sie sich im Theorieteil Ihres Heftes an den im Versuch relevanten physikalischen Inhalten. Die im Folgenden aufgeführten Inhalte bieten hierfür lediglich eine Richtlinie. Beschränken Sie sich auf das Wesentliche. Funktionsweise der für den Versuch relevanten Geräte Klassische und quantenmechanische Theorie des Raman-Effekts Polarisierbarkeit Depolarisationsgad Streuquerschnitt Normalkoordinaten und Normalschwingungen Induziertes und permanentes Dipolmoment Protokoll zur Versuchsdurchführung Führen Sie das Protokoll zur Versuchsdurchführung direkt am Praktikumsplatz. Nur so können alle relevanten Informationen notiert werden und wichtige Größen gehen nicht vergessen. Machen Sie sich zu allen Schritten Notizen. Fassen Sie sich kurz, schreiben Sie aber alles auf, was wichtig erscheint. Im Zweifel sind mehr notierte Informationen immer besser als zu wenige. Machen Sie sich auch Skizzen, die den Aufbau oder Verkabelungen dokumentieren um später bei der Auswertung nachvollziehen zu können, was und wie Sie gemessen haben. Der Sinn des Protokolls ist es, das Sie auch nach einiger Zeit noch problemlos verstehen können was gemacht wurde. Es soll auch einem anderen Teilnehmer und vor allem dem Betreuer ermöglichen, die Durchführung ohne Rückfragen nachvollziehen zu können. Messungen oder Erkenntnisse die nicht im Protokoll aufgeführt sind können bei der Auswertung nicht verwendet werden. Literaturempfehlungen H. Haken und H.C. Wolf: Molekülphysik und Quantenchemie G. Herzberg, Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules J. Brandmüller, H. Moser, Einführung in die Raman Spektroskopie W. Demtröder, Laser Spectroscopy D. A. Long, Raman Spectroscopy A. Eucken und K.H. Hellwege (Hrsg): Landolt-Börnstein Teil 2, I., Atom- und Molekularphysik B. Schrader: Raman/Infrared Atlas of Organic Compounds Sowie der Anhang zum Versuchsordner 16 RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR 2015

18 Anhang Datenblätter und Handbücher Instruction Manual Brookdeal Model 421 Phase Shifter Instruction Manual Brookdeal Model 411 Phase-Sensitive Detector Datenblatt Linienstrahler LOT Oriel Hg(Ne)-Lampe Datenblatt Modell 564 Current Preamplifier Datenblatt Side-On Photomultiplier Tubes User Guide Quartz Tungsten-Halogen Lamp Literatur A Lock-in Primer, applications bulletin from EG&G Princeton Applied Research Auszüge aus Raman/IR Atlas organischer Verbindungen, herausgegeben vom Institut für Spektrochemie und Angewandte Spektroskopie Dortmund durch B. Schrader und W. Meier Physikalische Methoden in der Chemie: Raman-Spektroskopie, F.-M. Schnepel, Chemie in unserer Zeit, 14. Jahrgang 1980, Heft 5, Seite Chemische Anwendungen der Raman-Spektroskopie, B. Schrader, Angewandte Chemie, 85. Jahrgang 1973, Heft 21, Seite Raman Scattering Cross Sections in Gases and Liquids, H. W. Schrötter, H. W. Klöckner, Raman Spectroscopy of Gases and Liquids, Volume 11, Seite Auszüge aus Vorlesungsfolien zu Spektroskopischen Methoden in der organischen Chemie IR- und UV-Spektroskopie von Dr. Thomas Fox, Universität Zürich. RAMAN-SPEKTROSKOPIE - VERSION JANUAR