Was ist Raman-Streuung?

Wenn sich Licht durch einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas bewegt, wird ein Teil des Lichts gestreut und wandert in Richtungen, die sich von denen des einfallenden Lichts unterscheiden. Der größte Teil des gestreuten Lichts behält seine ursprüngliche Frequenz bei - dies wird als elastische Streuung bezeichnet, wobei die Rayleigh-Streuung ein Beispiel ist. Ein kleiner Teil des gestreuten Lichts weist eine Frequenz auf, die geringer ist als die des einfallenden Lichts, und ein noch kleinerer Teil weist eine höhere Frequenz auf - dies wird als unelastische Streuung bezeichnet. Raman-Streuung ist eine Form der inelastischen Streuung und ist nach Chandrasekkara Venkata Raman benannt, der 1930 für seine Arbeit zu diesem Thema einen Nobelpreis erhielt.

Obwohl Streuung als Licht betrachtet werden kann, das nur von kleinen Teilchen reflektiert wird, ist die Realität komplexer. Wenn elektromagnetische Strahlung, bei der es sich um Licht handelt, mit einem Molekül in Wechselwirkung tritt, kann dies die Form der Elektronenwolke des Moleküls verzerren. Inwieweit dies geschieht, ist als Polarisierbarkeit des Moleküls bekannt und hängt von der Struktur des Moleküls und der Art der Bindungen zwischen seinen Atomen ab. Nach der Wechselwirkung mit einem Lichtphoton kann die Form der Elektronenwolke mit einer Frequenz oszillieren, die mit der des einfallenden Photons zusammenhängt. Diese Schwingung wiederum bewirkt, dass das Molekül ein neues Photon mit der gleichen Frequenz emittiert, was zu einer elastischen oder Rayleigh-Streuung führt. Inwieweit Rayleigh- und Raman-Streuung auftreten, hängt von der Polarisierbarkeit des Moleküls ab.

Moleküle können auch vibrieren, wobei die Bindungslängen zwischen Atomen periodisch um 10% zunehmen oder abnehmen. Befindet sich ein Molekül in seinem niedrigsten Schwingungszustand, wird es manchmal von einem einfallenden Photon in einen höheren Schwingungszustand versetzt, wodurch Energie verloren geht und das emittierte Photon weniger Energie und daher eine niedrigere Frequenz aufweist. Weniger häufig befindet sich das Molekül bereits über seinem niedrigsten Schwingungszustand. In diesem Fall kann das einfallende Photon dazu führen, dass es in einen niedrigeren Zustand zurückkehrt und Energie gewinnt, die als Photon mit einer höheren Frequenz emittiert wird.

Diese Emission von Photonen mit niedrigerer und höherer Frequenz ist die Form der unelastischen Streuung, die als Raman-Streuung bekannt ist. Wenn das Spektrum des gestreuten Lichts analysiert wird, zeigt es aufgrund der Rayleigh-Streuung eine Linie bei der eingehenden Frequenz mit kleineren Linien bei niedrigeren Frequenzen und noch kleineren Linien bei höheren Frequenzen. Diese Linien mit niedrigerer und höherer Frequenz, die als Stokes- bzw. Anti-Stokes-Linien bezeichnet werden, treten in den gleichen Abständen von der Rayleigh-Linie auf, und das Gesamtmuster ist charakteristisch für die Raman-Streuung.

Da die Frequenzintervalle, in denen die Stokes- und Anti-Stokes-Linien erscheinen, von der Art der Moleküle abhängen, mit denen Licht wechselwirkt, kann die Raman-Streuung verwendet werden, um die Zusammensetzung einer Materialprobe zu bestimmen, beispielsweise der in einem Stück vorhandenen Mineralien von Rock. Diese Technik ist als Raman-Spektroskopie bekannt und verwendet normalerweise einen monochromatischen Laser als Lichtquelle. Bestimmte Moleküle erzeugen jeweils ein einzigartiges Muster von Stokes- und Anti-Stokes-Linien, wodurch sie identifiziert werden können.