ラマン散乱とは？

光が固体、液体、または気体を通過すると、光の一部が散乱され、入射光の方向とは異なる方向に移動します。 ほとんどの散乱光は元の周波数を保持します。これは弾性散乱と呼ばれ、レイリー散乱がその例です。 散乱光のごく一部は、入射光の周波数よりも低い周波数を持ち、さらに小さい割合はより高い周波数を持ちます。これは非弾性散乱として知られています。 ラマン散乱は非弾性散乱の一種であり、1930年にノーベル賞を受賞したチャンドラセカラベンカタラマンにちなんで命名されました。

散乱は単に小さな粒子で反射する光と考えることができますが、現実はもっと複雑です。 光が一種である電磁放射が分子と相互作用すると、分子の電子雲の形状が歪む可能性があります。 これが起こる程度は分子の分極率として知られており、分子の構造とその原子間の結合の性質に依存しています。 軽い光子との相互作用に続いて、電子雲の形状は、入射する光子の周波数に関連した周波数で振動する可能性があります。 この振動により、分子は同じ周波数で新しい光子を放出し、弾性散乱またはレイリー散乱を引き起こします。 レイリーおよびラマン散乱が生じる程度は、分子の分極率に依存します。

分子も振動し、原子間の結合長が周期的に10％増加または減少します。 分子が最も低い振動状態にある場合、入ってくる光子がより高い振動状態になり、プロセスでエネルギーを失い、放出された光子のエネルギーが少なくなり、したがって周波数が低くなることがあります。 あまり一般的ではありませんが、分子はすでに最低振動状態を超えている可能性があります。その場合、入ってくるフォトンがより低い状態に戻り、より高い周波数のフォトンとして放出されるエネルギーを獲得します。

この低周波数および高周波数の光子の放出は、ラマン散乱として知られる非弾性散乱の形です。 散乱光のスペクトルを分析すると、レイリー散乱のために入力周波数で線が表示され、低い周波数では小さい線が、高い周波数ではさらに小さい線が表示されます。 それぞれストークス線およびアンチストークス線として知られるこれらの低周波数線と高周波数線は、レイリー線から同じ間隔で発生し、全体的なパターンはラマン散乱の特徴です。

ストークス線と反ストークス線が現れる周波数間隔は、光が相互作用する分子のタイプに依存するため、ラマン散乱を使用して、材料のサンプル、例えば、ピースに存在する鉱物の組成を決定できます岩の。 この技術はラマン分光法として知られており、通常は光源として単色レーザーを使用します。 特定の分子はそれぞれ固有のパターンのストークス線と反ストークス線を生成し、それらの識別を可能にします。