Wat is Raman verstrooiing?

Wanneer licht door een vaste stof, vloeistof of gas reist, zal een deel van het licht verstrooid worden en wegstromen in richtingen die verschillen van die van het binnenkomende licht. Het grootste deel van het verstrooide licht behoudt zijn oorspronkelijke frequentie - dit staat bekend als elastische verstrooiing, waarbij Rayleigh-verstrooiing een voorbeeld is. Een klein deel van het verstrooide licht zal een frequentie hebben die lager is dan die van het binnenkomende licht en een nog kleiner deel zal een hogere frequentie hebben - dit staat bekend als inelastische verstrooiing. Raman-verstrooiing is een vorm van inelastische verstrooiing en is vernoemd naar Chandrasekkara Venkata Raman, die in 1930 een Nobelprijs ontving voor zijn werk over dit onderwerp.

Hoewel verstrooiing kan worden gezien als licht dat eenvoudig kleine deeltjes weerkaatst, is de realiteit complexer. Wanneer elektromagnetische straling, waarvan licht een type is, interageert met een molecuul, kan het de vorm van de elektronenwolk van het molecuul vervormen; de mate waarin dit gebeurt staat bekend als de polariseerbaarheid van het molecuul en is afhankelijk van de structuur van het molecuul en de aard van de bindingen tussen zijn atomen. Na interactie met een lichtfoton kan de vorm van de elektronenwolk oscilleren met een frequentie die gerelateerd is aan die van het binnenkomende foton. Deze oscillatie zorgt er op zijn beurt voor dat het molecuul een nieuw foton uitzendt met dezelfde frequentie, wat resulteert in elastische of Rayleigh-verstrooiing. De mate waarin Rayleigh en Raman verstrooiing optreden is afhankelijk van de polariseerbaarheid van het molecuul.

Moleculen kunnen ook trillen, waarbij de bindingslengten tussen atomen periodiek met 10% toenemen of afnemen. Als een molecuul zich in de laagste vibratietoestand bevindt, zal een binnenkomend foton het soms in een hogere vibratietoestand duwen, waarbij energie verloren gaat en het uitgezonden foton minder energie en dus een lagere frequentie heeft. Minder gebruikelijk kan het molecuul zich al boven zijn laagste vibratietoestand bevinden, in welk geval het binnenkomende foton ertoe kan leiden dat het terugkeert naar een lagere toestand, waardoor energie wordt verkregen die wordt uitgezonden als een foton met een hogere frequentie.

Deze emissie van fotonen met een lagere en hogere frequentie is de vorm van inelastische verstrooiing die bekend staat als Raman-verstrooiing. Als het spectrum van het verstrooide licht wordt geanalyseerd, zal het een lijn bij de inkomende frequentie vertonen als gevolg van Rayleigh-verstrooiing, met kleinere lijnen bij lagere frequenties en nog kleinere lijnen bij hogere frequenties. Deze lagere en hogere frequentielijnen, respectievelijk Stokes- en anti-Stokes-lijnen genoemd, treden op dezelfde intervallen op vanaf de Rayleigh-lijn en het algehele patroon is kenmerkend voor Raman-verstrooiing.

Aangezien de frequentie-intervallen waarbij de Stokes- en anti-Stokes-lijnen verschijnen, afhankelijk zijn van het type moleculen waarmee licht interageert, kan Raman-verstrooiing worden gebruikt om de samenstelling van een materiaalmonster te bepalen, bijvoorbeeld de mineralen die in een stuk aanwezig zijn van rock. Deze techniek staat bekend als Raman-spectroscopie en maakt gewoonlijk gebruik van een monochromatische laser als lichtbron. Bepaalde moleculen produceren elk een uniek patroon van Stokes- en anti-Stokes-lijnen, waardoor ze kunnen worden geïdentificeerd.