Что такое комбинационное рассеяние?

Когда свет проходит через твердое тело, жидкость или газ, часть света рассеивается, распространяясь в направлениях, которые отличаются от направления входящего света. Большая часть рассеянного света сохранит свою первоначальную частоту - это известно как упругое рассеяние, примером которого может служить рассеяние Рэлея. Небольшая часть рассеянного света будет иметь частоту меньше частоты входящего света, а еще меньшая часть будет иметь более высокую частоту - это известно как неупругое рассеяние. Рамановское рассеяние является формой неупругого рассеяния и названо в честь Чандрасеккара Венката Рамана, получившего Нобелевскую премию за свою работу по этому вопросу в 1930 году.

Хотя рассеяние можно рассматривать как свет, просто отражающийся от мелких частиц, реальность более сложна. Когда электромагнитное излучение, тип которого является светом, взаимодействует с молекулой, оно может исказить форму электронного облака молекулы; Степень, в которой это происходит, известна как поляризуемость молекулы и зависит от структуры молекулы и природы связей между ее атомами. После взаимодействия с легким фотоном форма электронного облака может колебаться с частотой, связанной с частотой входящего фотона. Это колебание, в свою очередь, заставляет молекулу излучать новый фотон с той же частотой, что приводит к упругому или рэлеевскому рассеянию. Степень, в которой происходит рэлеевское и комбинационное рассеяние, зависит от поляризуемости молекулы.

Молекулы также могут вибрировать, причем длины связей между атомами периодически увеличиваются или уменьшаются на 10%. Если молекула находится в самом низком колебательном состоянии, иногда входящий фотон толкает ее в более высокое колебательное состояние, теряя при этом энергию и в результате излучаемый фотон имеет меньшую энергию и, следовательно, более низкую частоту. Реже молекула уже может быть выше своего самого низкого колебательного состояния, и в этом случае поступающий фотон может заставить его вернуться в более низкое состояние, получая энергию, которая излучается в виде фотона с более высокой частотой.

Это излучение фотонов с более низкой и высокой частотой представляет собой форму неупругого рассеяния, известного как комбинационное рассеяние. Если проанализировать спектр рассеянного света, он покажет линию на входящей частоте из-за рассеяния Рэлея, с меньшими линиями на более низких частотах и ​​еще меньшими линиями на более высоких частотах. Эти линии более низких и более высоких частот, известные как линии Стокса и Анти-Стокса, соответственно, происходят на тех же интервалах от линии Рэлея, и общая картина характерна для комбинационного рассеяния.

Поскольку частотные интервалы, в которых появляются стоксовы и антистоксовы линии, зависят от типов молекул, с которыми взаимодействует свет, комбинационное рассеяние можно использовать для определения состава образца материала, например, минералов, присутствующих в куске рок. Этот метод известен как рамановская спектроскопия, и в качестве источника света обычно используется монохроматический лазер. Каждая отдельная молекула будет производить уникальную комбинацию линий Стокса и Антистокса, позволяя идентифицировать их.