Efecte Raman

Efecte Raman

La dispersió Raman (també, efecte Raman) és una dispersió inelástica d'un fotó. Quan la llum d'un àtom o molècula es dispersa, la majoria dels fotons es dispersen elásticamente (dispersió de Rayleigh). Els fotons dispersats tenen la mateixa energia (freqüència) i, per lo tant, la mateixa llongitut d'ona que els fotons incidents. No obstant, una chicoteta fracció de la llum (aproximadament 1 en 10⁸ fotons) es dispersa ópticamente a freqüències diferents (normalment inferiors) que la freqüència dels fotons incidents. En un gas, la dispersió Raman sol ocórrer per un canvi en els estats vibracionales, rotacionales o electrònics d'una molècula (vore nivell d'energia).

Història

El científic sir Chandrasekhara Venkata Raman, un important físic que va ser laureado en el Premi Nobel en 1930.

En 1922 el físic indi Chandrasekhara Raman va publicar el seu treball basat en la "Difracció molecular de la llum" sent el primer d'una série d'investigacions en els seus colaboradors fins que el dia 28 de febrer de 1928 es va fer el descobriment de la radiació posant-li el nom de dispersió Raman en el seu honor. L'efecte Raman va ser reportat inicialment per C. V. Raman i K. S. Krishnan i independentment per Grigory Landsberg i Leonid Mandelshtam en 1928. Raman va rebre el Premi Nobel en 1930 gràcies al seu treball sobre l'investigació realisada sobre el fenomen de la dispersió de la llum. En 1998 l'efecte Raman va ser designat per l'ACS National Historical Chemical Landmark en reconeiximent pel seu significancia com a ferramenta per a l'anàlisis de la composició de líquits, gasos i sòlits.

La dispersió Raman: Stokes i anti-Stokes

L'interacció de la llum en la matèria en un règim llineal permet simultàneament l'absorció i l'emissió de llum que s'ajusta als nivells d'energia ya definits pels electrons. L'efecte Raman correspon en la teoria de destorbament de la mecànica quàntica a l'absorció i conseqüent emissió d'un fotó per mig de canvi d'estat intermig d'un electró, passant per un estat virtual (vore també: diagrama de Feynman). Llavors existixen les següents possibilitats:

Emissió causada per la dispersió Stokes i anti-Stokes.

• No existix intercanvi d'energia entre els fotons incidents i les molècules (i per lo tant no existix efecte Raman).
• Els canvis d'energia es produïxen entre els fotons incidents i les molècules. Les diferències d'energia són iguals a les diferències dels estats vibracionales o rotacionales de la molècula. En els cristals, solament certs fonones són admesos per l'estructura cristalina (les solucions de les equacions d'ona fan que es cancelen uns en uns atres), de manera que l'efecte de dispersió Raman pot aparéixer solament a certes freqüències. Per eixemple, en els materials amorfos com els vidres, es permeten més fonones i per lo tant els estats discrets admesos són més amplis.
• Les molècules absorbixen l'energia: a açò se li denomina dispersió Stokes. El fotó resultant és d'inferior freqüència i genera una llínea de Stokes en el costat roig de l'espectre incident.
• La molècula pert energia: dispersió anti-Stokes. Els fotons incidents són desplaçats a freqüències més elevades (blava) de l'espectre, i generen per lo tant una llínea que es denomina anti-Stokes.

Les diferents possibilitats d'una llum dispersada: dispersió de Rayleigh (sense efecte Raman), la dispersió Stokes (la molècula absorbix energia) i la dispersió anti-Stokes (molècula pert energia).

Estes diferències en l'energia medida per mig de la substracció de l'energia d'un làser mona-energètica de llum de fotons dispersats. Els valors absoluts, no obstant, no depenen del procés (ben siga dispersió Stokes o anti-Stokes), degut solament a que l'energia de diferents nivells de vibració és de certa importància. Per lo tant, l'espectre Raman és simètric respecte de la banda de Rayleigh. Ademés, les intensitat de les bandes de Raman solament depenen del número de molècules que ocupen els diferents estats vibracionales quan el procés comença. La distribució de Boltzmann condiciona el número de molècules en els estats inferiors:

___MATH_0___ en els següents valors: ___MATH_1___: Número d'àtoms en l'estat inferior de vibració ___MATH_2___: Número d'àtoms en l'estat superior de vibració ___MATH_3___: degeneració de l'estat inferior de vibració (número de modos vibracionales de la mateixa energia) ___MATH_4___: degeneració de l'estat superior de vibració (número de modos vibracionales de la mateixa energia) ___MATH_5___: diferència d'energia entre estos dos estats vibracionales k: Constant de Boltzmann T: Temperatura en kelvin

Per lo tant, l'espectre de Stokes és més intens que l'espectre de anti-Stokes.