Vad sprider Raman?

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

Även om spridning kan betraktas som ljus som helt enkelt reflekterar små partiklar, är verkligheten mer komplex. När elektromagnetisk strålning, av vilken ljus är en typ, interagerar med en molekyl, kan den snedvrida formen på molekylens elektronmoln; i vilken utsträckning detta händer kallas polariserbarheten för molekylen och beror på molekylens struktur och arten av bindningarna mellan dess atomer. Efter interaktion med en ljusfoton kan elektronmolnets form svänga med en frekvens relaterad till den inkommande fotonens. Denna svängning i sin tur får molekylen att avge en ny foton med samma frekvens, vilket resulterar i elastisk eller Rayleigh-spridning. I vilken utsträckning Rayleigh och Raman spridning inträffar beror på polariserbarheten hos molekylen.

Molekyler kan också vibrera, varvid bindningslängderna mellan atomer periodvis ökar eller minskar med 10%. Om en molekyl är i sitt lägsta vibrationstillstånd, kommer ibland en inkommande foton att pressa den till ett högre vibrationstillstånd, vilket förlorar energi i processen och resulterar i att den utsända fotonen har mindre energi och därför en lägre frekvens. Mindre vanligt kan molekylen redan ligga över dess lägsta vibrationstillstånd, i vilket fall den inkommande fotonen kan få den att återgå till ett lägre tillstånd och få energi som avges som en foton med en högre frekvens.

Detta emission av fotoner med lägre och högre frekvens är formen av inelastisk spridning känd som Ramanspridning. Om spredningen av 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 Ramans spridning.

Eftersom frekvensintervallen med vilka Stokes och anti-Stokes-linjerna förekommer är beroende av de molekyltyper som ljus interagerar med, kan Ramanspridning användas för att bestämma kompositionen ett materialprov, till exempel mineralerna i ett stycke av rock. Denna teknik kallas Raman-spektroskopi och använder normalt en monokromatisk laser som ljuskälla. Speciella molekyler producerar var och en ett unikt mönster av Stokes och anti-Stokes-linjer, vilket möjliggör deras identifiering.