Рамановское рассеяние

Эффект Рамана (комбинационное рассеяние света) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением его частоты. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния света) — эффективный метод химического анализа, изучения состава и строения веществ.

Сущность явления

Эмпирические законы рамановского рассеяния

• Спектральные линии-спутники сопровождают каждую линию первичного света.
• Сдвиг спутников по частоте относительно первичной линии характеризует рассеивающее вещество и равно собственным частотам молекулярных колебаний.
• Спутники представляют собой две группы линий, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии. Спутники, смещённые в красную (длинноволновую) сторону относительно первоначальной линии называются «красными» (или стоксовыми, по аналогии с люминесценцией), а смещённые в фиолетовую (коротковолновую) — «фиолетовыми» (антистоксовыми). Интенсивность красных спутников значительно выше.
• С увеличением температуры интенсивность антистоксовых спутников быстро увеличивается.

История открытия

Несколько известных физиков теоретически предсказывали возможность комбинационного рассеяния ещё до его экспериментального обнаружения. Первым комбинационное рассеяние света предсказал Адольф Смекал (в 1923 г.), затем последовали теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера и других.

Открытие комбинационного рассеяния в МГУ

В 1918 г. Л. И. Мандельштам предсказал расщепление линии рэлеевского рассеяния вследствие рассеяния света на тепловых акустических волнах. Начиная с 1926 г., Мандельштам и Ландсберг развернули в Московском государственном университете (МГУ) экспериментальное изучение молекулярного рассеяния света в кристаллах, преследуя цель обнаружить тонкую структуру в спектре рассеяния, вызванную модуляцией рассеянного света упругими тепловыми волнами, частоты которых лежат в акустическом диапазоне (продолжение исследований феномена, ныне именуемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна). В результате этих исследований 21 февраля 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект комбинационного рассеяния света (они зарегистрировали новые линии спектра, возникшие в результате модуляции рассеянного света колебаниями атомов в оптическом диапазоне частот). О своем открытии они сообщили на коллоквиуме от 27 апреля 1928 г. и опубликовали соответствующие научные результаты в советском и двух немецких журналах ^{[1] [2] [3]}.

Исследования в Калькутте

В том же 1928 г. индийские ученые Ч.В. Раман и К.С. Кришнан (в Университете Калькутты, Индия) искали некую комптоновскую компоненту рассеяного солнечного света в жидкостях и парах, предполагая, что существует оптический аналог эффекта Комптона. Неожиданно для себя они обнаружили явление комбинационного рассеяния света. По словам Рамана: "Линии спектра нового излучения были в первый раз наблюдены 28 февраля 1928 года"^[4]. Таким образом, комбинационное рассеяние света индийские физики впервые наблюдали на неделю позже, чем Ландсберг и Мандельштам в МГУ.

Тем не менее, Нобелевская премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману «за его работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного по его имени» ^[5]. С тех пор комбинационное рассеяние света в иностранной литературе носит название «эффект Рамана». В 1957 году Раману была также присуждена Международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами».

Исследования во Франции

Французские физики Рокар, Кабанн и Дор ещё в 1925 году в своих исследованиях искали комбинационное рассеяние света в газах, но не нашли его. Им тогда не удалось зарегистрировать свет малой интенсивности.

О названии

Хотя сам Раман по всей видимости отнюдь не сразу понял, что именно он открыл, тем не менее он успел опубликовать свои результаты до публикации работ Мандельштама и Ландсберга. Поэтому в англоязычной литературе рассматриваемый феномен носит название «эффект Рамана» (Raman effect) или «рамановское рассеяние» (Raman scattering).

В русскоязычной научной литературе, вслед за классиками молекулярного рассеяния света Ландсбергом, Мандельштамом, Фабелинским и многими другими советскими учёными, данное явление традиционно называется «комбинационным рассеянием света». И несмотря на то, что термин «комбинационное рассеяние» употребляется только русскоязычными учёными и в русскоязычных учебниках, такое положение вряд ли изменится, поскольку сопротивление несправедливому решению нобелевского комитета от 1930 года до сих пор весьма велико.^{[6] [7] [8]}

Методики рамановской спектроскопии (РС)

Обычная (нормальная) РС

Гигантская (поверхностно-усиленная) РС

Вынужденное рамановское рассеяние

Научные журналы по рамановскому рассеянию

Рамановское рассеяние положило начало целому направлению в спектроскопии молекул и кристаллов — рамановской спектроскопии. Этот метод на сегодняшний день является одним из самых мощных методов исследования молекулярных структур, поэтому неудивительно, что существует ряд научных журналов, целиком посвящённых именно проблеме рамановского рассеяния.

• Journal of Raman Spectroscopy (Журнал рамановской спектроскопии).
• Surface Enhanced Raman Scattering Physics and Applications (Физика и применения поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии).

Помимо этих журналов, множество статей, касающихся рамановской спектроскопии публикуются и в других общих и специализированных журналах.

Ссылки

1. ↑ Landsberg G., Mandelstam L. Eine neue Erscheinung bei der Lichtzertreuung // Naturwissenschaften. 1928. В. 16. S. 557.
2. ↑ Ландсберг Г. С., Мандельштам Л. И. Новое явление при рассеянии света (предварительное сообщение) // Журнал Русского физ.-хим. об-ва. 1928. Т. 60. С. 335.
3. ↑ Landsherg G.S., Mandelstam L.I. Uber die Lichtzerstrenung in Kristallen // Zeitschrift fur Physik. 1928. В. 50. S. 769.
4. ↑ C.V. Raman, "A new radiation", Ind. J. Phys. 1928. V. 2. P. 387.
5. ↑ Информация о Рамане с сайта Нобелевского комитета (англ.)
6. ↑ Фабелинский И. Л. К 50-летию открытия комбинационного рассеяния света // Успехи физических наук.- 1978.- Т. 126, вып.1.- С. 123-152.
7. ↑ Фабелинский И. Л. Комбинационному рассеянию света - 70 лет (Из истории физики) // Успехи физических наук.- 1998.- Т. 168, №12.- С. 1342-1360
8. ↑ В.Л. Гинзбург, И.Л. Фабелинский, «К истории открытия Комбинационного Рассеяния Света»

См. также

• Рэлеевское рассеяние
• Томсоновское рассеяние
• Эффект Комптона
• Эффект Тиндаля