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高考申論題 111年 [材料工程] 材料分析

第 一 題

📖 題組：
二、(一)請說明拉曼光譜儀分析材料化學結構的原理。(10 分) (二)請比較拉曼光譜儀中斯托克(Stokes)與非斯托克(Anti-Stokes)兩種拉曼散射頻率、能階與強度之差異。(15 分)
📝 此題為申論題，共 2 小題

小題 (一)

請說明拉曼光譜儀分析材料化學結構的原理。（10 分）

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看到拉曼光譜，應直覺聯想「非彈性散射」與「分子極化率（Polarizability）變化」。作答時需明確交代入射單色光（雷射）與分子電子雲作用後，因激發至虛擬能階並躍遷至不同振動能階，導致散射光頻率改變（拉曼位移），藉此對應特定化學鍵來鑑定結構。

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【破題】拉曼光譜儀（Raman Spectrometer）是基於光與物質發生「非彈性散射（Inelastic Scattering）」之物理原理，用以探測分子振動、轉動及晶格動力學，進而鑑定材料化學結構的非破壞性分析技術。 【論述】 一、物理原理（輻射源與物質之交互作用）

小題 (二)

請比較拉曼光譜儀中斯托克（Stokes）與非斯托克（Anti-Stokes）兩種拉曼散射頻率、能階與強度之差異。（15 分）

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作答此題應從「非彈性光散射」的物理本質出發，利用能量守恆定律推導頻率的變化。最關鍵的得分點在於「強度」的比較，必須引用熱力學中的「馬克士威-波茲曼分布（Maxwell-Boltzmann distribution）」來解釋常溫下兩者強度的巨大差異，展現對物理機制的深入理解。

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【破題】拉曼散射（Raman Scattering）屬於光子與物質分子（或晶格聲子）發生能量交換的「非彈性散射」。依據光子與分子振動能階交互作用時能量轉移的方向不同，可分為斯托克（Stokes）與非斯托克（Anti-Stokes）兩種散射，兩者在能階躍遷、散射頻率與訊號強度上有顯著差異。 【論述】 一、 能階躍遷之差異（Energy Level Transitions）

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