Vad är Raman -spridning?

När ljuset reser genom en fast, vätska eller gas kommer en del av ljuset att spridas och reser i riktningar som skiljer sig från det inkommande ljuset. Det mesta av det spridda ljuset kommer att behålla sin ursprungliga frekvens - detta kallas elastisk spridning, Rayleigh -spridning är ett exempel. En liten andel av det spridda ljuset kommer att ha en frekvens mindre än för det inkommande ljuset och en ännu mindre andel kommer att ha en högre frekvens - detta kallas inelastisk spridning. Raman -spridning är en form av inelastisk spridning och är uppkallad efter Chandrasekkara Venkata Raman, som fick ett Nobelpris för sitt arbete om ämnet 1930.

Även om spridning kan betraktas som ljus som helt enkelt återspeglar små partiklar, är verkligheten mer komplex. När elektromagnetisk strålning, av vilken ljus är en typ, interagerar med en molekyl, kan det förvränga formen på molekylens elektronmoln; i vilken utsträckning detta händer kallas polenMolekylens risbarhet och är beroende av molekylens struktur och bindningens natur mellan dess atomer. Efter interaktion med en lätt foton kan formen på elektronmolnet svänga med en frekvens relaterad till den för den inkommande fotonen. Denna svängning får i sin tur molekylen att avge en ny foton med samma frekvens, vilket resulterar i elastisk eller Rayleigh, spridning. I vilken utsträckning Rayleigh och Raman -spridning inträffar är beroende av molekylens polariserbarhet.

molekyler kan också vibrera, med bindningslängderna mellan atomer som regelbundet ökar eller minskar med 10%. Om en molekyl är i sitt lägsta vibrationsläge, kommer ibland en inkommande foton att pressa den in i ett högre vibrationsläge, förlora energi i processen och resultera i att den utsända fotonen har mindre energi och därför en lägre frekvens. Mindre vanligt kan molekylen redanvara över sitt lägsta vibrationsläge, i vilket fall den inkommande fotonen kan få den att återgå till ett lägre tillstånd och få energi som släpps ut som en foton med högre frekvens.

Denna utsläpp av lägre och högre frekvensfotoner är formen av inelastisk spridning känd som Raman -spridning. Om spektrumet för det spridda ljuset analyseras kommer det att visa en linje vid den inkommande frekvensen på grund av Rayleigh -spridning, med mindre linjer vid lägre frekvenser och ännu mindre linjer vid högre frekvenser. Dessa lägre och högre frekvenslinjer, kända som Stokes respektive anti-Stokes-linjer, förekommer med samma intervall från Rayleigh-linjen och det övergripande mönstret är karakteristiskt för Raman-spridning.

Eftersom frekvensintervallen vid vilka Stokes och anti-Stokes-linjerna förekommer är beroende av de typer av molekyler som ljus interagerar, kan Raman-spridning användas för att bestämma kompositionen ett prov av material, till exempel mineralerna presentent i en bit sten. Denna teknik är känd som Raman -spektroskopi och använder normalt en monokromatisk laser som ljuskälla. Särskilda molekyler kommer vardera att producera ett unikt mönster av stokes och anti-Stokes linjer, vilket möjliggör deras identifiering.