Che cos'è Raman Scattering?

Quando la luce viaggia attraverso un solido, liquido o gas parte della luce verrà dispersa, viaggiando via in direzioni diverse da quella della luce in arrivo. La maggior parte della luce diffusa manterrà la sua frequenza originale - questo è noto come scattering elastico, come ad esempio lo scattering Rayleigh. Una piccola parte della luce diffusa avrà una frequenza inferiore a quella della luce in arrivo e una proporzione ancora più piccola avrà una frequenza più elevata, nota come diffusione anelastica. Lo scattering Raman è una forma di scattering anelastico e prende il nome da Chandrasekkara Venkata Raman, che ha ricevuto un premio Nobel per il suo lavoro sull'argomento nel 1930.

Sebbene la dispersione possa essere pensata come luce che si riflette semplicemente su piccole particelle, la realtà è più complessa. Quando la radiazione elettromagnetica, di cui la luce è un tipo, interagisce con una molecola, può distorcere la forma della nuvola di elettroni della molecola; la misura in cui ciò accade è nota come polarizzabilità della molecola e dipende dalla struttura della molecola e dalla natura dei legami tra i suoi atomi. Dopo l'interazione con un fotone di luce, la forma della nuvola di elettroni può oscillare a una frequenza correlata a quella del fotone in arrivo. Questa oscillazione a sua volta fa sì che la molecola emetta un nuovo fotone alla stessa frequenza, con conseguente dispersione elastica o di Rayleigh. La misura in cui si verificano la dispersione di Rayleigh e Raman dipende dalla polarizzabilità della molecola.

Le molecole possono anche vibrare, con le lunghezze di legame tra gli atomi che aumentano o diminuiscono periodicamente del 10%. Se una molecola si trova nel suo stato vibrazionale più basso, a volte un fotone in arrivo la spinge in uno stato vibrazionale più elevato, perdendo energia nel processo e risultando nel fotone emesso che ha meno energia e quindi una frequenza inferiore. Meno comunemente, la molecola potrebbe già essere al di sopra del suo stato vibrazionale più basso, nel qual caso il fotone in ingresso potrebbe farla tornare a uno stato inferiore, guadagnando energia che viene emessa come un fotone con una frequenza più alta.

Questa emissione di fotoni a frequenza più bassa e più alta è la forma di scattering anelastico noto come scattering Raman. Se lo spettro della luce diffusa viene analizzato, mostrerà una linea alla frequenza in entrata dovuta allo scattering di Rayleigh, con linee più piccole a frequenze più basse e linee ancora più piccole a frequenze più alte. Queste linee di frequenza inferiore e superiore, note rispettivamente come linee di Stokes e anti-Stokes, si verificano agli stessi intervalli della linea di Rayleigh e il modello generale è caratteristico dello scattering Raman.

Poiché gli intervalli di frequenza a cui appaiono le linee di Stokes e anti-Stokes dipendono dai tipi di molecole con cui la luce interagisce, lo scattering Raman può essere utilizzato per determinare la composizione di un campione di materiale, ad esempio i minerali presenti in un pezzo di roccia. Questa tecnica è nota come spettroscopia Raman e normalmente utilizza un laser monocromatico come sorgente luminosa. Ciascuna molecola particolare produrrà un modello unico di linee di Stokes e anti-Stokes, che ne consentirà l'identificazione.