Qu'est-ce que la diffusion Raman?

Lorsque la lumière traverse une matière solide, liquide ou gazeuse, une partie de la lumière est dispersée et se déplace dans des directions différentes de celle de la lumière incidente. La majeure partie de la lumière diffusée conservera sa fréquence d'origine - on parle de diffusion élastique, la diffusion de Rayleigh en étant un exemple. Une faible proportion de la lumière diffusée aura une fréquence inférieure à celle de la lumière entrante et une proportion encore plus petite aura une fréquence supérieure - ceci est connu sous le nom de diffusion inélastique. La diffusion Raman est une forme de diffusion inélastique qui doit son nom à Chandrasekkara Venkata Raman, qui a reçu un prix Nobel pour son travail sur le sujet en 1930.

Bien que la diffusion puisse être considérée comme une lumière se reflétant simplement sur de petites particules, la réalité est plus complexe. Lorsqu'un rayonnement électromagnétique, dont la lumière est un type, interagit avec une molécule, il peut déformer la forme du nuage d'électrons de la molécule; la mesure dans laquelle cela se produit est connue sous le nom de polarisabilité de la molécule et dépend de la structure de la molécule et de la nature des liaisons entre ses atomes. Suite à l'interaction avec un photon lumineux, la forme du nuage d'électrons peut osciller à une fréquence liée à celle du photon entrant. Cette oscillation provoque à son tour la molécule à émettre un nouveau photon à la même fréquence, ce qui entraîne une diffusion élastique ou Rayleigh. L'ampleur de la diffusion de Rayleigh et Raman dépend de la polarisabilité de la molécule.

Les molécules peuvent également vibrer, les longueurs de liaison entre atomes augmentant ou diminuant périodiquement de 10%. Si une molécule se trouve dans son état vibratoire le plus bas, il peut arriver qu'un photon entrant la pousse dans un état vibratoire plus élevé, ce qui lui fait perdre de l'énergie et que le photon émis a moins d'énergie et donc une fréquence plus basse. Plus rarement, la molécule pourrait déjà être au-dessus de son état vibratoire le plus bas, auquel cas le photon entrant pourrait le faire revenir à un état inférieur, gagnant de l'énergie émise sous forme de photon à une fréquence plus élevée.

Cette émission de photons de fréquence plus basse et plus haute est la forme de diffusion inélastique connue sous le nom de diffusion Raman. Si le spectre de la lumière diffusée est analysé, une ligne apparaîtra à la fréquence entrante en raison de la diffusion de Rayleigh, avec des lignes plus petites à des fréquences plus basses et des lignes encore plus petites à des fréquences plus élevées. Ces lignes de fréquence inférieure et supérieure, appelées lignes de Stokes et anti-Stokes, apparaissent respectivement aux mêmes intervalles que la ligne de Rayleigh et le motif général est caractéristique de la diffusion Raman.

Étant donné que les intervalles de fréquence d'apparition des lignes de Stokes et anti-Stokes dépendent des types de molécules avec lesquelles la lumière interagit, la diffusion Raman peut être utilisée pour déterminer la composition d'un échantillon de matériau, par exemple les minéraux présents dans une pièce. du rock. Cette technique est connue sous le nom de spectroscopie Raman et utilise normalement un laser monochromatique comme source de lumière. Des molécules particulières produiront chacune un motif unique de lignes de Stokes et anti-Stokes, permettant ainsi leur identification.