Co je Ramanův rozptyl?

Když světlo prochází pevnou látkou, kapalinou nebo plynem, některé světlo bude rozptýleno a bude se pohybovat směrem, který se liší od směru příchozího světla. Většina rozptýleného světla si zachová svoji původní frekvenci - toto je známé jako elastický rozptyl, příkladem je Rayleighův rozptyl. Malý podíl rozptýleného světla bude mít frekvenci menší než frekvenci přicházejícího světla a ještě menší podíl bude mít vyšší frekvenci - to je známo jako nepružný rozptyl. Ramanův rozptyl je forma nepružného rozptylu a je pojmenován po Chandrasekkara Venkata Ramanovi, který získal Nobelovu cenu za svou práci na tomto tématu v roce 1930.

Ačkoli rozptyl lze považovat za světlo, které jednoduše odráží malé částice, realita je složitější. Když elektromagnetické záření, jehož světlo je typu, interaguje s molekulou, může zkreslit tvar elektronového oblaku molekuly; míra, do které se to stane, je známá jako polarizovatelnost molekuly a je závislá na struktuře molekuly a povaze vazeb mezi jejími atomy. Po interakci se světelným fotonem může tvar elektronového oblaku kmitat při frekvenci související s frekvencí přicházejícího fotonu. Tato oscilace zase způsobí, že molekula emituje nový foton o stejné frekvenci, což má za následek elastický nebo Rayleighův rozptyl. Rozsah, ve kterém se vyskytují Rayleighovy a Ramanovy rozptyly, závisí na polarizaci molekuly.

Molekuly mohou také vibrovat, přičemž délky vazeb mezi atomy se periodicky zvyšují nebo snižují o 10%. Pokud je molekula ve svém nejnižším vibračním stavu, někdy ji příchozí foton vytlačí do vyššího vibračního stavu, ztrácí energii v procesu a má za následek, že emitovaný foton má méně energie a tudíž nižší frekvenci. Méně obyčejně by molekula mohla být již nad svým nejnižším vibračním stavem, v tomto případě by příchozí foton mohl způsobit, že se vrátí do nižšího stavu a získá energii, která je emitována jako foton s vyšší frekvencí.

Tato emise nízkofrekvenčních a vysokofrekvenčních fotonů je formou nepružného rozptylu známého jako Ramanův rozptyl. Je-li analyzováno spektrum rozptýleného světla, ukáže se čára na příchozí frekvenci v důsledku Rayleighova rozptylu, s menšími linkami na nižších frekvencích a stále menšími linkami na vyšších frekvencích. Tyto dolní a vyšší kmitočtové linie, známé jako Stokesovy a anti-Stokesovy linie, se vyskytují ve stejných intervalech od Rayleighovy linie a celkový obrazec je charakteristický pro Ramanovy rozptyly.

Protože frekvenční intervaly, ve kterých se objevují Stokesovy a anti-Stokesovy linie, závisí na typech molekul, se kterými světlo interaguje, lze Ramanův rozptyl použít ke stanovení složení vzorku materiálu, například minerálů přítomných v kusu skály. Tato technika je známá jako Ramanova spektroskopie a jako zdroj světla obvykle používá monochromatický laser. Jednotlivé molekuly budou produkovat jedinečný vzor Stokesových a Anti-Stokesových linií, což umožní jejich identifikaci.