КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА (RAMAN

КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
(RAMAN SCATTERING)
Падающая на квантовую систему (атом или молекулу) световая волна индуцирует в ней состояние, описываемое некоторой волновой функцией Ψn(r,t). В
этом состоянии в квантовой системе индуцируется электрический дипольный момент, который осциллирует с частотой падающего света и благодаря этому в свою
очередь излучает свет этой же частоты, который называется рассеянным.
Процесс рассеяния света сводится к переизлучению энергии поглощѐнной
квантовой системой из падающего на него светового потока, при этом частота
рассеянного света равна частоте падающего. Такое рассеяние называется рэлеевским.
Наряду с рассеянием без изменения частоты, возбужденная световой волной
квантовая система может в определѐнных условиях переизлучать энергию с изменением частоты. Этот излучение с изменением частоты обуславливает некогерентное рассеяние света. Некогерентное рассеяние света с изменением частоты,
называется комбинационным. Оно было открыто Раманом и Кришнаном в жидкостях и газах и независимо Мандельштамом и Лансбергом в твѐрдых телах.
В спектре рассеянного света наряду с частотой 0 падающего света присутствуют дополнительные комбинационные линии с частотами = 0
i, где
i – частоты колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул.
I
Красные спутники
стоксовые
Фиолетовые спутники
антистоксо вые
, см -1
0
0
0
1
2
0
2
0
2
Рис. 5
Таким образом, частота комб = является комбинацией частоты падающего
света и частот, характерных для квантовой системы. Этим объясняется название
“комбинационное“ для такого вида рассеяния. В иностранной литературе используется термин Рамановское рассеяние (Raman scattering).
В спектре комбинационного рассеяния линии излучения с частотами меньшей частоты называются стоковыми (или красными спутниками, большее значение ), а большей частотой – антистоковыми (или фиолетовыми спутниками).
Объяснение эффекта комбинационного рассеяния света в рамках квантовой
теории основывается на том, что комбинационное рассеяние света есть процесс
неупругого «столкновения» фотонов с молекулами, в котором один фотон поглощается и один фотон испускается молекулой.
Если энергии фотонов одинаковы, то в рассеянном свете наблюдается несмещенная линия. Если молекула под действием света перейдет в возбужденное
состояние, то испущенный фотон будет иметь меньшую частоту – возникает
стоксовый спутник. Если же молекула, до воздействия света находящаяся в возбужденном состоянии, перейдет в основное, то испущенный фотон будет иметь
бόльшую частоту – возникает антистоксовый спутник.
Анализ спектров комбинационного рассеяния приводит к следующим основным выводам:
1) линии спутников располагаются симметрично по обе стороны от несмещенной линии;
2) частоты
i не зависят от частоты падающего на вещество света
0, а
определяются только молекулярным строением рассеивающего вещества, т. е. характеризуют его состав и структуру;
3) при обычных температурах интенсивность антистоксовых спутников значительно меньше, чем интенсивность стоксовых спутников;
4) интенсивность антистоксовых спутников растет с температурой рассеивающего вещества, в то время как интенсивность стоксовых спутников практически не изменяется.
Спектры комбинационного рассеяния света позволяют выполнять исследования состава и строения вещества. Например, изучать кристаллы, квазичастицы
(фононы и др.), химические соединения, а также структуру молекул с неизвестным строением.
2