Împrăștierea Raman

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Răspândirea Raman sau împrăștierea Raman sau efectul Raman constă în împrăștierea inelastică a fotonilor și a fost descrisă pentru prima dată de fizicianul indian Chandrasekhara Venkata Raman .

De obicei, un fascicul de lumină care lovește o probă trece prin ea neschimbat sau este absorbit (în funcție de lungimea de undă a luminii și de natura probei). O mică parte a fasciculului incident este răspândită elastic, adică cu aceeași frecvență ( efect Rayleigh ). Un procent și mai mic de lumină suferă o difuzie inelastică ( efect Raman ): este difuzat cu o frecvență mai mare sau mai mică decât cea inițială.

Diferența de energie dintre fotonii incidenți și cei împrăștiați inelastic corespunde nivelurilor de energie vibrațională ale moleculei difuze: analiza deplasării liniilor spectrale datorită efectului Raman poate furniza, prin urmare, informații despre compoziția chimică, structura moleculară, interacțiunile intermoleculare ale eșantionului.

Descoperirea efectului Raman

Efectul Raman a fost descoperit independent în 1928 câteva luni mai târziu de către indienii Raman și Krishnan și de rușii Landsberg și Mandelstam. Articolele care au prezentat noul fenomen sunt:

Fenomenologie

Nivelurile de energie ale unei molecule și efectul Raman

Fenomenul difuziei inelastice poate fi descris în termeni de schimb de energie între fotonul incident și molecula afectată. Un foton de energie excită molecula de la starea sa de bază („0” din figură) la un nivel de energie virtuală. Dacă molecula este dezactivată și revine la starea de bază, un foton cu frecvență ν (difuzie elastică) este re-emis. Dacă, pe de altă parte, molecula se relaxează la un nivel vibrațional excitat (de exemplu, nivelul "1" din figură) fotonul reemis va avea o energie egală cu ah (ν - ν 1 ), mai mică decât cea a incidentului lumină: în acest caz similar cu cazul fluorescenței , vorbim de difuzia Stokes Raman. Dacă, pe de altă parte, molecula a fost inițial la un nivel excitat (de exemplu, nivelul "1" din figură) și în urma excitației trece de la nivelul virtual la nivelul fundamental, fotonul reemis va avea energia h ( ν + ν 1 ), mai mare decât cea a luminii incidente: în acest caz vorbim de difuzie Raman anti-Stokes. În condiții standard, difuzia Stokes este mai intensă decât difuzia anti-Stokes, în principal pentru că stările vibraționale inferioare sunt populate în funcție de distribuția Boltzmann :

.

Explicație fizică

Apariția efectului Raman este strâns legată de gradul de polarizare a moleculelor probei. Fotonii incidenți interacționează cu norul de electroni al moleculei și induc un moment dipolar electric μ, a cărui amplitudine depinde de polarizabilitatea α:

Deoarece câmpul electric depinde de frecvența radiației incidente cum ar fi , unde este este amplitudinea câmpului electric incident e frecvența radiației incidente), putem scrie:

Prin urmare, dacă polarizabilitatea α este constantă, oscilatorul emite radiații cu aceeași frecvență ν a luminii incidente (efect Rayleigh). Cu toate acestea, în general polarizabilitatea depinde de mișcările vibraționale ale moleculei:

unde α 0 este polarizabilitatea moleculei în poziția de echilibru și β este derivata polarizabilității evaluate de-a lungul direcției mișcării vibraționale particulare a frecvenței ν 1 excitată în timpul tranziției.

Prin urmare, putem extinde expresia momentului dipolar electric:

folosind formulele de prostafereză obținem:

Expresia momentului dipol electric prezintă astfel în mod explicit cei trei termeni care explică respectiv difuzia elastică „asemănătoare cu Rayleigh” și difuzia inelastică „asemănătoare cu Ramanul” Stokes și Stokes. Expresia momentului dipol în această formă conține și condiția de observare a efectului Raman: pentru a avea radiații cu o frecvență diferită de cea a luminii incidente, polarizabilitatea trebuie să se schimbe în timpul mișcării vibraționale a moleculei, adică β ≠ 0 .

Aplicații

Spectroscopia Raman este o tehnică de analiză a materialelor bazată pe fenomenul difuziei unei radiații electromagnetice monocromatice de către proba analizată.

Difuzarea Raman este utilizată în unele tipuri de senzori distribuiți cu fibră optică pentru a măsura temperatura de-a lungul fibrei.

Bibliografie

  • ( EN ) RS Krishnan, Introducere istorică , în A. Anderson (ed.), The Raman effect - Vol.I: Principles , 1st ed., New York, Marcel Dekker, septembrie 1971, ISBN 0-8247-1014-2 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 70242 · LCCN (EN) sh85111275 · GND (DE) 4176912-0 · BNF (FR) cb11980412m (dată) · BNE (ES) XX540853 (dată) · NDL (EN, JA) 00.569.273