Hva sprer Raman?

Når lys beveger seg gjennom et fast stoff, væske eller gass, vil noe av lyset bli spredt og bevege seg i retninger som er forskjellig fra det innkommende lyset. Det meste av det spredte lyset vil beholde sin opprinnelige frekvens - dette er kjent som elastisk spredning, idet Rayleigh-spredning er et eksempel. En liten andel av det spredte lyset vil ha en frekvens mindre enn det for det innkommende lyset, og en fortsatt mindre andel vil ha en høyere frekvens - dette er kjent som inelastisk spredning. Raman-spredning er en form for uelastisk spredning og er oppkalt etter Chandrasekkara Venkata Raman, som mottok en Nobelpris for sitt arbeid i emnet i 1930.

Selv om spredning kan tenkes som lys ganske enkelt som reflekterer små partikler, er virkeligheten mer kompleks. Når elektromagnetisk stråling, hvorav lys er en type, samspiller med et molekyl, kan det forvrenge formen til molekylets elektroniske sky; i hvilken grad dette skjer er kjent som polariserbarheten til molekylet og er avhengig av molekylets struktur og arten av bindingene mellom dets atomer. Etter interaksjon med et lysfoton kan formen til elektronskyen svinge med en frekvens relatert til den til det innkommende fotonet. Denne svingningen fører igjen til at molekylet avgir et nytt foton med samme frekvens, noe som resulterer i elastisk eller Rayleigh-spredning. I hvilken grad Rayleigh og Raman spredning forekommer er avhengig av molekylets polariserbarhet.

Molekyler kan også vibrere, og bindingslengdene mellom atomer periodisk øker eller synker med 10%. Hvis et molekyl er i sin laveste vibrasjonstilstand, vil noen ganger et innkommende foton skyve det inn i en høyere vibrasjonstilstand, miste energi i prosessen og føre til at det utsendte fotonet har mindre energi og derfor en lavere frekvens. Mindre ofte kan molekylet allerede være over sin laveste vibrasjonstilstand, i hvilket tilfelle det innkommende foton kan føre til at det går tilbake til en lavere tilstand og får energi som sendes ut som et foton med en høyere frekvens.

Denne utslippet av fotoner med lavere og høyere frekvens er formen for uelastisk spredning kjent som Raman-spredning. Hvis spekteret til det spredte lyset blir analysert, vil det vise en linje ved den innkommende frekvensen på grunn av Rayleigh-spredning, med mindre linjer ved lavere frekvenser, og fortsatt mindre linjer ved høyere frekvenser. Disse lavere og høyere frekvenslinjene, kjent som henholdsvis Stokes og anti-Stokes linjer, forekommer med samme intervaller fra Rayleigh-linjen, og det totale mønsteret er karakteristisk for Ramanspredning.

Siden frekvensintervallene Stokes og anti-Stokes linjene vises på er avhengig av hvilke molekyltyper lys interagerer med, kan Ramanspredning brukes til å bestemme sammensetningen av en prøve av materiale, for eksempel mineralene som er tilstede i et stykke av rock. Denne teknikken er kjent som Raman-spektroskopi, og bruker normalt en monokromatisk laser som lyskilde. Spesielle molekyler vil produsere et unikt mønster av Stokes og anti-Stokes linjer, slik at de kan identifiseres.