monohromatsko svetlo incident na uzorku može se reflektirati, apsorbirati ili raspršiti. Proces raspršivanja svjetlosti mora biti elastičan (tj. može se dogoditi bez izmjene energije između svjetlosti i materije) i neelastičan (tj. može doći do preraspodjele energije između svjetlosti i materije).
Elastično rasipanje svjetlosti naziva se Rayleigh. Ona je dominantna: u prosjeku je samo jedan foton od deset miliona neelastično raspršen. U Rayleighovom rasejanju, frekvencija raspršene svjetlosti je tačno jednaka frekvenciji upadne svjetlosti.
Neelastično rasipanje svjetlosti naziva se Ramanovo raspršivanje (RS), ili Ramanovo. U ramanskom rasejanju, svetlost i materija razmenjuju energiju. Kao rezultat toga, frekvencija raspršene svjetlosti može se ili smanjiti (dok energija prelazi sa svjetlosti na materiju - to je Stokesovo raspršivanje) ili povećati (dok energija prelazi od materije do svjetlosti - ovo je Anti-Stokesovo raspršivanje).
Rasipanje se može posmatrati kao veoma brz proces apsorpcije i emisije fotona. Sa takvom apsorpcijom fotona, molekul ne prelazi u stabilno pobuđeno elektronsko stanje ako je energija fotona nedovoljna za ovaj proces. Prelazi u nestabilno pobuđeno stanje, iz kojeg emituje foton nakon vrlo kratkog vremena.
U Rayleighovom rasejanju, molekul apsorbuje foton sa nivoa nulte vibracije i prelazi na njega nakon emisije. U Stokesovom rasejanju, molekul apsorbuje foton sa nultog vibracionog nivoa, ali nakon emisije prelazi na prvi, apsorbujući deo energije fotona. Naprotiv, tokom Anti-Stokesovog rasejanja, molekul apsorbuje foton sa prvog vibracionog nivoa, a nakon emisije prelazi na nulu, dajući deo svoje energije emitovanom fotonu.
U uslovima termičke ravnoteže, populacija vibracionih nivoa se pridržava Boltzmannove raspodele, odnosno populacija je veća od visoki nivoi opada eksponencijalno. Shodno tome, prvi nivo je popunjen u mnogo manjoj meri od nulte, što dovodi do znatno nižeg intenziteta Anti-Stokesovih linija u Ramanovom spektru u poređenju sa intenzitetom Stokesovih linija.
Ramanski spektar se po pravilu shvata upravo kao njegov intenzivniji, Stoksov deo. Frekvencija Rayleighovog raspršenja (tj. frekvencija izvora zračenja) uzima se kao "nula", a frekvencija linije u spektru se izračunava oduzimanjem frekvencije Stokesove linije od frekvencije Rayleighovog zračenja.
U opštem slučaju, proces rasipanja svetlosti se takmiči sa procesom njene apsorpcije. Kada se zračenje apsorbuje, molekul se prenosi u najniže pobuđeno elektronsko stanje. Obrnuti prijelaz u osnovno stanje može biti ili potpuno ne-zračenje ili biti praćen emisijom svjetlosti niže frekvencije. Ovo zračenje se naziva fotoluminiscencija. U zavisnosti od spin konfiguracije pobuđenog elektronskog stanja, fotoluminiscencija se deli na fluorescenciju i fosforescenciju.
Linije fotoluminiscencije su mnogo intenzivnije od Ramanovih linija. Dakle, sa Raman spektrometrom opremljenim odgovarajućim detektorom, moguće je istovremeno dobiti Raman spektar i spektar fotoluminiscencije u istoj tački bez ikakvih problema.
Međutim, u nekim slučajevima, fotoluminiscencijski spektar može biti superponiran na Ramanov spektar, što je nepoželjan efekat. Ispod je uslovni Raman / fotoluminiscentni spektar obojenog polimera, koji snažno fluorescira u vidljivom i bliskom IR području kada je ozračen svjetlošću u UV i vidljivi rasponi. U takvim slučajevima se, po pravilu, nastoji odabrati frekvencija uzbudljivog zračenja na način da se izbjegne pojava intenzivne fluorescencije. Jedna od opcija je korištenje izvora zračenja u bliskom IR opsegu za pobudu Ramanovog zračenja.

Ramanov spektar većine organskih molekula sastoji se od linija koje odgovaraju vibracijama savijanja i istezanja hemijske veze ugljenik (C) sa drugim elementima, najčešće vodonikom (H), kiseonikom (O) i azotom (N), kao i karakterističnim vibracijama različitih funkcionalnih grupa (hidroksil -OH, amino grupa -NH2 itd.). Ove linije se pojavljuju u rasponu od 600 cm-1 (rastezne vibracije pojedinačnih C-C kravate) do 3600 cm-1 (vibracije hidroksil -OH grupe). Osim toga, u spektrima organskih molekula u rasponu od 250–400 cm–1 pojavljuju se vibracije savijanja alifatskog lanca.
Za razliku od IR spektra, u kojem se pojavljuju linije koje odgovaraju vibracijskim prijelazima s promjenom dipolnog momenta, u Ramanovom spektru se pojavljuju linije koje odgovaraju vibracijskim prijelazima s promjenom polarizabilnosti molekula. Dakle, IC i CR nisu isključivi, već komplementarni. spektrometrijske metode. Postoje Raman spektrometri koji omogućavaju istovremeno dobijanje Ramanovog i IR spektra u jednoj tački (LAbRAM ARAMIS IR2).
Ramanovi spektri kristalnih rešetki sadrže linije koje odgovaraju rasipanju zračenja kolektivnim pobuđenim stanjima rešetke, koja se u fizici čvrstog stanja smatraju kvazičesticama. Najčešći su Raman-aktivni prijelazi koji uključuju optičke i akustične fonone, plazmone i magnone.

Kvazičestica - kvant kolektivne oscilacije ili perturbacije sistema sa više čestica, koji ima određenu energiju i, po pravilu, impuls. Postoji niz sličnosti i razlika između kvazičestica i običnih čestica. U mnogim teorijama polja, kao što je teorija konformnog polja, uopće se ne pravi razlika između čestica i kvazičestica. (Vikipedija)
Fonon je kvazičestica koju je uveo ruski naučnik I. Tamm. Fonon je kvant oscilatorno kretanje kristalnih atoma. Pokazalo se da je koncept fonona bio vrlo plodan u fizici čvrstog stanja. U kristalnim materijalima, atomi aktivno interaguju jedni s drugima i teško je razmotriti takve termodinamičke pojave kao vibracije pojedinačnih atoma u njima - ogromni sistemi se dobijaju iz triliona međusobno povezanih linearnih diferencijalne jednadžbe, što se ne može riješiti analitički. Vibracije kristalnih atoma zamjenjuju se širenjem u supstanciji sistema zvučni talasi, čiji su kvanti fononi. Spin fonona je nula (u jedinicama h). Fonon je jedan od bozona i opisan je Bose-Einstein statistikom. Fononi i njihova interakcija sa elektronima igraju fundamentalnu ulogu u modernim idejama o fizici supravodnika. (Vikipedija)
Akustični fonon je za male valne vektore karakteriziran linearnim zakonom disperzije i paralelnim pomakom svih atoma u jediničnoj ćeliji. Takav zakon disperzije opisuje akustične oscilacije rešetke (zbog toga se fonon naziva akustičnim). (Wikipedia) Energija akustičnih fonona je obično niska (reda od 1 cm-1 do 30 cm-1).
Optički fononi postoje samo u kristalima čija jedinična ćelija sadrži dva ili više atoma. Ovi fononi karakteriziraju se kod malih valnih vektora vibracijama atoma tako da težište jedinične ćelije ostaje nepomično. Energija optičkih fonona je obično prilično visoka (reda 500 cm-1) i slabo zavisi od valnog vektora. (Vikipedija)
Plazmon je kvazi-čestica koja odgovara kvantizaciji oscilacija plazme, koje su kolektivne oscilacije gasa slobodnog elektrona. Plazmoni igraju važnu ulogu u optičkim svojstvima metala. Svjetlost ispod frekvencije plazme se reflektira jer elektroni u metalu štite električno polje u elektromagnetnom talasu svjetlosti. Svjetlost iznad plazma frekvencije prodire jer elektroni ne mogu reagirati dovoljno brzo da je zaklone. U većini metala, plazma frekvencija je u ultraljubičastom području spektra, što ih čini sjajnim u vidljivom opsegu. U dopiranim poluvodičima, frekvencija plazme je obično u ultraljubičastom području. (Vikipedija)
Površinski plazmoni (plazmoni ograničeni na površine) snažno stupaju u interakciju sa svjetlom, što rezultira stvaranjem polaritona. Oni igraju ulogu u površinskom unapređenju RS, Ramansko rasipanje svjetlosti (SERS) i u objašnjavanju anomalija u difrakciji metala. Površinska plazmonska rezonanca se koristi u biohemiji za otkrivanje prisustva molekula na površini. (Vikipedija)
Magnon je kvazičestica koja odgovara elementarnoj pobudi sistema interakcijskih spinova. U kristalima s nekoliko magnetskih podrešetki (na primjer, antiferomagneti), može postojati nekoliko vrsta magnona s različitim energetskim spektrom. Magnoni se pokoravaju Bose-Einstein statistici. Magnoni su u interakciji jedni s drugima i s drugim kvazičesticama. Postojanje magnona potvrđuju eksperimenti raspršenja neutrona, elektrona i svjetlosti, praćeni rođenjem ili uništenjem magnona.
Koncept magnona uveo je 1930. Felix Bloch kako bi kvantitativno objasnio fenomen smanjenja spontane magnetizacije u feromagnetima. Na temperaturi apsolutna nula feromagnet dostiže stanje najniže energije, u kojem se atomski spinovi (kao i magnetni momenti) poravnavaju u istom smjeru. Kako temperatura raste, okretanja počinju odstupati od općeg smjera, čime se povećavaju unutrašnja energija i smanjenje ukupne magnetizacije. Ako zamislimo idealno magnetizirani feromagnet kao vakuumsko stanje, onda se stanje na niskim temperaturama, u kojem je idealni poredak narušen malim brojem obrnutih spinova, može predstaviti kao plin kvazičestica - magnona. Svaki magnon smanjuje broj pravilno poravnatih spinova za h i ukupni magnetni moment duž ose kvantizacije za gh, gde je g žiromagnetski odnos. (Vikipedija)

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Ministarstvo obrazovanja Republike Bjelorusije

Bjeloruska država Pedagoški univerzitet nazvan po Maksimu Tanku

NASTAVNI RAD

Na temu: "Primjena Ramanove spektroskopije u medicini"

Rukovodilac: Maskevič Sergej Aleksandrovič

Uvod

2. Primjena Ramanove spektroskopije za kontrolu droga, narkotika i toksičnih droga

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Kada se talasi šire u materijalnom mediju, najjednostavnija situacija odgovara odsustvu bilo kakve interakcije između talasa. U ovom slučaju, valovi prodiru jedan kroz drugi bez ikakvih promjena u frekvenciji, amplitudi i fazi odgovarajućih oscilatornih procesa.

Složenija slika se ostvaruje za interakciju talasa. Konkretno, za takve valove može se provesti proces amplitudne modulacije visokofrekventnih oscilacija niskofrekventnim. Kao rezultat modulacije, uz originalne valove visoke (w0) i niske (W) frekvencije, nastaju kombinovani valovi sa frekvencijama w0 - W i w0 + W. Upravo ovo svojstvo valova koristili su tvorci radiotelegraf u kasno XIX vekovima. U ovom slučaju, radio talas je služio kao nosilac visokofrekventnog talasa, a talasi niske frekvencije su odgovarali opsegu zvuka i predstavljali su informaciju potrebnu za prenos.

Kao što je poznato, prvi put je bežični telegraf zasnovan na modulaciji elektromagnetnih talasa radio opsega (w0 ~ 1011 Hz) niskofrekventnim signalima Morzeovog koda implementiran 1895. godine u eksperimentima A.S. Popov. Slične studije su u isto vrijeme na Zapadu sproveli F. Brown i T. Marconi. Godine 1909. dobili su Nobelovu nagradu za stvaranje bežičnog telegrafa.

F. Braun je bio profesor na Odsjeku za fiziku na Univerzitetu u Strazburu, kada je 1899. L.I. Mandelstam. Predmet istraživanja L.I. Mandelštamovi su bili akustični talasi u čvrstim materijama. Kako se ispostavilo, takvi valovi postoje u materijalnim medijima čak iu odsustvu bilo kakvih vanjskih zvučnih signala. S tim u vezi, L.I. Mandelstam je 1926. objavio rad u kojem je razmatrao pitanje modulacije svjetlosnih valova u čvrstim tvarima toplinskim (akustičnim) valovima.

Eksperimente na proučavanju rasijanja svetlosti u kondenzovanim medijima započeo je 1926. godine u Moskvi G.S. Landsberg i L.I. Mandelstam. Jedan od objekata istraživanja bio je kristalni kvarc; kao izvor uzbudljivog zračenja korištene su intenzivne linije živine lampe koje su izolovane iz spektra plinskog pražnjenja pomoću apsorpcionih filtera. Kao rezultat ovih eksperimenata, ustanovljeno je da zaista u spektru raspršene svjetlosti postoji slabo zračenje, čija je frekvencija pomjerena u odnosu na frekvenciju primarnog, uzbudljivog zračenja. Pokazalo se da spektar sadrži nekoliko satelita simetričnih u odnosu na frekvenciju w0 uzbudljivog zračenja sa frekvencijama w0 - Wj (Stokesov satelit) i w0 + Wj (anti-Stokes satelit). Utvrđeno je i da su uočeni pomaci Wj frekvencije w0 uzbudljivog zračenja nekoliko redova veličine veći od karakterističnih frekvencija akustičnih valova, koji se u Mandelshtamovoj teoriji smatraju uzrokom raspršivanja svjetlosti. Nakon toga, otkriveno je da, uz akustične valove, zajedno s uzbudljivim radijacijskim valom, mogu postojati i mnoge druge vrste valova, posebno valovi optičkih oscilacija koje karakterizira suprotno kretanje neekvivalentnih atoma primitivne ćelije kristala. . To je bio razlog pomaka frekvencije uzbudljivog zračenja uočenog u eksperimentima Landsberga i Mandelstama. Kasnije su ovu vrstu raspršenja nazvali Ramansko raspršivanje svjetlosti.

U isto vrijeme (1928.) indijski fizičari Ch. Raman i K. Krishnan izveli su slične eksperimente na proučavanju raspršenja svjetlosti u tekućinama. U prvim eksperimentima indijski naučnici su koristili sunčevu zraku kao izvor uzbudljivog zračenja. Koristeći određene kombinacije apsorpcionih filtera, došli su do zaključka da se svjetlost raspršuje u tekućinama, praćena pomakom frekvencije w" = w0 - W (w0 je frekvencija uzbudljivog zračenja, w" je frekvencija raspršene svjetlosti) , a rezultati njihovih eksperimenata interpretirani su kao manifestacija optičkog analoga Comptonovog efekta. Ovaj fenomen je kasnije nazvan Ramanov efekat. Za otkriće ovog fenomena 1930. godine Ch. Raman je dobio Nobelovu nagradu.

Treba napomenuti da termin Ramanovo rasejanje (RSS) koji su predložili Mandelstam i Landsberg ima nezavisno značenje i široko se koristi u naučnoj literaturi.

Proučavanje nove vrste raspršivanja svjetlosti, počevši od prvih radova, odmah je privuklo pažnju širokih krugova naučne zajednice. Bez sumnje, otkriće ovog fenomena jedno je od najupečatljivijih naučna dostignuća XX vijek.

1. Teorija Ramanove metode raspršenja

Monokromatska svjetlost koja pada na uzorak može se reflektirati, apsorbirati ili raspršiti. Proces raspršivanja svjetlosti može biti elastičan (tj. može se dogoditi bez razmjene energije između svjetlosti i materije) i neelastičan (tj. može doći do preraspodjele energije između svjetlosti i materije).

Elastično rasipanje svjetlosti naziva se Rayleigh. Ona je dominantna: u prosjeku je samo jedan foton od deset miliona neelastično raspršen. U Rayleighovom rasejanju, frekvencija raspršene svjetlosti je tačno jednaka frekvenciji upadne svjetlosti.

Neelastično rasipanje svjetlosti naziva se Ramanovo raspršivanje (RS), ili Ramanovo. U ramanskom rasejanju, svetlost i materija razmenjuju energiju. Kao rezultat toga, frekvencija raspršene svjetlosti može se ili smanjiti (u ovom slučaju energija prelazi sa svjetlosti na materiju - to je Stokesovo raspršivanje), ili povećati (u ovom slučaju energija prelazi s materije na svjetlost - ovo je Anti -Stokesovo rasipanje).

Rasipanje se može posmatrati kao veoma brz proces apsorpcije i emisije fotona. Sa takvom apsorpcijom fotona, molekul ne prelazi u stabilno pobuđeno elektronsko stanje ako je energija fotona nedovoljna za ovaj proces. Prelazi u nestabilno pobuđeno stanje, iz kojeg emituje foton nakon vrlo kratkog vremena.

U Rayleighovom rasejanju, molekul apsorbuje foton sa nivoa nulte vibracije i prelazi na njega nakon emisije. U Stokesovom rasejanju, molekul apsorbuje foton sa nultog vibracionog nivoa, ali nakon emisije prelazi na prvi, apsorbujući deo energije fotona. Naprotiv, tokom Anti-Stokesovog rasejanja, molekul apsorbuje foton sa prvog vibracionog nivoa, a nakon emisije prelazi na nulu, dajući deo svoje energije emitovanom fotonu.

U uslovima termičke ravnoteže, populacija vibracionih nivoa se pridržava Boltzmannove raspodele, odnosno, populacija viših nivoa opada eksponencijalno. Shodno tome, prvi nivo je popunjen u mnogo manjoj meri od nulte, što dovodi do znatno nižeg intenziteta Anti-Stokesovih linija u Ramanovom spektru u poređenju sa intenzitetom Stokesovih linija.

Ramanski spektar se po pravilu shvata upravo kao njegov intenzivniji, Stoksov deo. Frekvencija Rayleighovog raspršenja (tj. frekvencija izvora zračenja) uzima se kao "nula", a frekvencija linije u spektru se izračunava oduzimanjem frekvencije Stokesove linije od frekvencije Rayleighovog zračenja.

U opštem slučaju, proces rasipanja svetlosti se takmiči sa procesom njene apsorpcije. Kada se zračenje apsorbuje, molekul se prenosi u najniže pobuđeno elektronsko stanje. Obrnuti prijelaz u osnovno stanje može biti ili potpuno ne-zračenje ili biti praćen emisijom svjetlosti niže frekvencije. Ovo zračenje se naziva fotoluminiscencija. U zavisnosti od spin konfiguracije pobuđenog elektronskog stanja, fotoluminiscencija se deli na fluorescenciju i fosforescenciju.

Linije fotoluminiscencije su mnogo intenzivnije od Ramanovih linija. Dakle, sa Raman spektrometrom opremljenim odgovarajućim detektorom, moguće je istovremeno dobiti Raman spektar i spektar fotoluminiscencije u istoj tački bez ikakvih problema.

Međutim, u nekim slučajevima, fotoluminiscencijski spektar može biti superponiran na Ramanov spektar, što je nepoželjan efekat. Ispod je uslovni Raman/fotoluminiscencijski spektar obojenog polimera koji snažno fluorescira u vidljivom i bliskom IR području kada je ozračen svjetlošću u UV (ultraljubičastom) i vidljivom opsegu. U takvim slučajevima se, po pravilu, nastoji odabrati frekvencija uzbudljivog zračenja na način da se izbjegne pojava intenzivne fluorescencije. Jedna od opcija je korištenje izvora zračenja u bliskom IR opsegu za pobudu Ramanovog zračenja.

Uvjetni Raman/fotoluminiscencijski spektri obojenog polimera koji snažno fluorescira u vidljivom i bliskom IR području kada je ozračen svjetlom u UV i vidljivom opsegu. Apscisa pokazuje frekvenciju zračenja

Uvjetni Raman/fotoluminiscencijski spektri obojenog polimera koji snažno fluorescira u vidljivom i bliskom IR području kada je ozračen svjetlom u UV i vidljivom opsegu. Apscisa pokazuje razliku između Ramanove frekvencije i frekvencije pobude (u cm-1)

Ramanov spektar većine organskih molekula sastoji se od linija koje odgovaraju vibracijama savijanja i istezanja hemijskih veza ugljika (C) s drugim elementima, obično vodonikom (H), kisikom (O) i dušikom (N), kao i karakteristikama vibracije različitih funkcionalnih grupa (hidroksil -OH, amino grupa -NH2, itd.). Ove linije se pojavljuju u rasponu od 600 cm-1 (vibracije istezanja jednostrukih C-C veza) do 3600 cm-1 (vibracije hidroksil-OH grupe). Osim toga, u spektrima organskih molekula u rasponu od 250–400 cm–1 pojavljuju se vibracije savijanja alifatskog lanca.

Za razliku od IR spektra, u kojem se pojavljuju linije koje odgovaraju vibracijskim prijelazima s promjenom dipolnog momenta, u Ramanovom spektru se pojavljuju linije koje odgovaraju vibracijskim prijelazima s promjenom polarizabilnosti molekula. Dakle, IR i Raman nisu isključive, već komplementarne spektrometrijske metode. Postoje Ramanovi spektrometri koji omogućavaju istovremeno dobijanje Ramanovog i IR spektra u jednoj tački.

Ramanovi spektri kristalnih rešetki sadrže linije koje odgovaraju rasipanju zračenja kolektivnim pobuđenim stanjima rešetke, koja se u fizici čvrstog stanja smatraju kvazičesticama. Najčešći su Raman-aktivni prijelazi koji uključuju optičke i akustične fonone, plazmone i magnone.

Kvazičestica - kvant kolektivne oscilacije ili perturbacije sistema sa više čestica, koji ima određenu energiju i, po pravilu, impuls. Postoji niz sličnosti i razlika između kvazičestica i običnih čestica. U mnogim teorijama polja, kao što je teorija konformnog polja, uopće se ne pravi razlika između čestica i kvazičestica.

Fonon je kvazičestica koju je uveo ruski naučnik I. Tamm. Fonon je kvant vibracionog kretanja atoma kristala. Pokazalo se da je koncept fonona bio vrlo plodan u fizici čvrstog stanja. U kristalnim materijalima atomi aktivno interaguju jedni s drugima i teško je razmotriti takve termodinamičke pojave kao vibracije pojedinačnih atoma u njima - dobivaju se ogromni sistemi od triliona međusobno povezanih linearnih diferencijalnih jednadžbi, čije je analitičko rješenje nemoguće. Oscilacije kristalnih atoma zamjenjuju se širenjem u tvari sistema zvučnih valova, čiji su kvanti fononi. Spin fonona je nula (u jedinicama h). Fonon je jedan od bozona i opisan je Bose-Einstein statistikom. Fononi i njihova interakcija sa elektronima igraju osnovnu ulogu u modernim idejama o fizici supravodiča.

Akustični fonon je za male valne vektore karakteriziran linearnim zakonom disperzije i paralelnim pomakom svih atoma u jediničnoj ćeliji. Takav zakon disperzije opisuje akustične oscilacije rešetke (zbog toga se fonon naziva akustičnim). Energija akustičnih fonona je obično niska (reda od 1 cm-1 do 30 cm-1).

Optički fononi postoje samo u kristalima čija jedinična ćelija sadrži dva ili više atoma. Ovi fononi karakteriziraju se kod malih valnih vektora vibracijama atoma tako da težište jedinične ćelije ostaje nepomično. Energija optičkih fonona je obično prilično visoka (reda 500 cm-1) i slabo zavisi od valnog vektora.

Plazmon je kvazi-čestica koja odgovara kvantizaciji oscilacija plazme, koje su kolektivne oscilacije gasa slobodnog elektrona. Plazmoni igraju važnu ulogu u optičkim svojstvima metala. Svjetlost ispod frekvencije plazme se reflektira jer elektroni u metalu štite električno polje u elektromagnetnom talasu svjetlosti. Svjetlost iznad plazma frekvencije prodire jer elektroni ne mogu reagirati dovoljno brzo da je zaklone. U većini metala, plazma frekvencija je u ultraljubičastom području spektra, što ih čini sjajnim u vidljivom opsegu. U dopiranim poluvodičima, frekvencija plazme je obično u ultraljubičastom području.

Površinski plazmoni (plazmoni ograničeni na površine) snažno stupaju u interakciju sa svjetlom, što rezultira stvaranjem polaritona. Oni igraju ulogu u površinskom Ramanovom poboljšanju, Ramanovom rasejanju (SERS) i u objašnjavanju anomalija u metalnoj difrakciji. Površinska plazmonska rezonanca se koristi u biohemiji za otkrivanje prisustva molekula na površini.

Magnon je kvazičestica koja odgovara elementarnoj pobudi sistema interakcijskih spinova. U kristalima s nekoliko magnetskih podrešetki (na primjer, antiferomagneti), može postojati nekoliko vrsta magnona s različitim energetskim spektrom. Magnoni se pokoravaju Bose-Einstein statistici. Magnoni su u interakciji jedni s drugima i s drugim kvazičesticama. Postojanje magnona potvrđuju eksperimenti raspršenja neutrona, elektrona i svjetlosti, praćeni rođenjem ili uništenjem magnona.

Koncept magnona uveo je 1930. Felix Bloch kako bi kvantitativno objasnio fenomen smanjenja spontane magnetizacije u feromagnetima. Na temperaturi od apsolutne nule, feromagnet dostiže svoje najniže energetsko stanje, u kojem se atomski spinovi (kao i magnetni momenti) poravnavaju u istom smjeru. Kako temperatura raste, spinovi počinju da odstupaju od opšteg pravca, čime se povećava unutrašnja energija i smanjuje ukupna magnetizacija. Ako zamislimo idealno magnetizirani feromagnet kao vakuumsko stanje, onda se stanje na niskim temperaturama, u kojem je idealni poredak narušen malim brojem obrnutih spinova, može predstaviti kao plin kvazičestica - magnona. Svaki magnon smanjuje broj pravilno poravnatih spinova za h i ukupni magnetni moment duž ose kvantizacije za gh, gde je g žiromagnetski odnos.

2. Primjena Ramanove spektroskopije za kontrolu

medicinske, narkotičke i toksične droge

Metoda spektroskopije Ramanovog raspršenja svjetlosti (Ramanova spektroskopija).

Ramanova spektroskopija omogućava identifikaciju gasova udahnutog i izdahnutog vazduha i merenje njihove koncentracije analizom emisije svetlosti molekula gasa dok se vraćaju u prvobitno (nepobuđeno) energetsko stanje nakon izlaganja laserskom snopu. Uzorci plina pacijenata ulaze u mjernu komoru, gdje se zrače argonskim laserom. Kao rezultat laserskog zračenja, molekuli plina prelaze u pobuđeno stanje, ali pri obrnutom prijelazu u početno (nepobuđeno) stanje, molekuli plina već emituju svjetlost manje energije i veće valne dužine. Ovaj fenomen je u fizici poznat kao "Ramanov pomak".

Količina pomaka "Ramanovog" talasa za svaki gas je specifična, što omogućava identifikaciju gasova u uzorku (na primer, koji se inhalacioni anestetik koristi). Koncentracija gasa se određuje iz intenziteta sekundarnog zračenja. Kao i masena spektrometrija, metoda Ramanove spektroskopije omogućava vam da odredite koncentraciju svih komponenti mješavine plina. Rezultati masene spektrometrije i Ramanove spektroskopije podjednako su precizni, uprkos prisutnosti fundamentalnih razlika u tehnologiji. Prednosti Ramanove spektroskopije su brži rezultati i mogućnost samokalibracije.

Glavne prednosti

Tehnologija ramanskog raspršenja odnosi se na vibracionu molekularnu spektroskopiju. Vibracije nastaju u molekulima zbog pomicanja jezgara iz ravnotežnog položaja. Vibracijski spektri se snimaju u obliku infracrvenih spektra i Ramanovih spektra (Raman spectra).

Ramanov spektar nastaje kada se supstanca ozrači monohromatsko svetlo ultraljubičastog ili vidljivog opsega. Pod utjecajem svjetlosti, molekuli tvari se polariziraju i raspršuju svjetlost. U ovom slučaju, raspršena svjetlost se razlikuje od frekvencije početnog zračenja za količinu koja odgovara frekvenciji normalnih vibracija molekula. Individualnost ove karakteristike određuje visoku selektivnost metode.

Izgled Ramanovog spektra može se predstaviti na sljedeći način: kvant upadnog zračenja stupa u interakciju s molekulom koja je u osnovnom ili pobuđenom vibracionom stanju. Ako je interakcija elastična, tada se energetsko stanje molekula ne mijenja, a frekvencija raspršenog zračenja bit će ista kao i frekvencija upadnog zračenja (Rayleighova traka Ramanovog spektra). U slučaju neelastične interakcije dolazi do razmjene energije između kvanta zračenja i molekula, zbog čega nastaje raspršeno zračenje koje može biti veće ili niže frekvencije (anti-Stokes i Stokesov pojas). Tako se formira Ramanov spektar.

Metoda Ramanove spektroskopije omogućava dobijanje pojedinačnog spektralnog otiska, jedinstvenog u odnosu na razmatrani molekul ili čitavu molekularnu strukturu.

U poređenju sa FT-IR spektroskopijom, Raman spektroskopija ima značajne ključne prednosti:

Ramanski spektar sumpora

* Metoda Ramanove spektroskopije može se koristiti za analizu vodenih rastvora, jer visoki apsorpcioni efekat vode, za razliku od IR Fourier metode, ne utiče značajno na njega.

* Intenzitet spektralne linije u rastvoru je direktno proporcionalna koncentraciji specifičnih jedinjenja;

* Ramanov spektar ne zavisi od promene temperature rastvora;

* Metoda Ramanove spektroskopije praktično ne zahteva pripremu uzorka, upotrebu reagensa i na nju ne utiče materijal ćelije, kao što je staklo;

* Upotreba Raman spektrometara omogućava postizanje visoke rezolucije i osjetljivosti, nedostižne za IR-Fourierovu spektrometriju.

Ove prednosti, zbog specifične prirode metode, čine Ramanovu spektrometriju moćnim alatom za analizu i praćenje hemijskog sastava. Svako jedinjenje ima svoj jedinstveni Raman spektar. Ovisno o korištenoj instrumentaciji, ova tehnika se može koristiti za analizu čvrste materije, rješenja, kao i daju informacije o fizičkim karakteristikama medija koji se proučava, kao što su kristalna rešetka, orijentacija, polimorfni oblici itd.

Slika ćelije dobijena Ramanovim spektrometrom.

3. Ramanovo rasipanje svjetlosti kao metoda proučavanja materije

Ramanovi spektri se mogu koristiti za mjerenje prirodnih frekvencija vibracija molekula i kristala. Ovo otvara široke mogućnosti za identifikaciju supstanci i proučavanje transformacija koje se u njima dešavaju pod uticajem spoljašnjih uticaja. Navedimo nekoliko primjera. Jedna te ista supstanca može imati nekoliko modifikacija, recimo, ugljenik je u obliku grafita, dijamanta, amorfne faze. Hemijske ili spektralne analize ne omogućavaju razliku između ovih faza, ali će se Ramanovi spektri za njih razlikovati, jer ne samo hemijski sastav supstance, ali i njene strukture. Uz pomoć RRS-a mogu se proučavati procesi topljenja kristala i kristalizacije tečnosti, istraživati hemijske reakcije u rastvorima, detektuju pojavu tankih filmova na površini čvrstih tela i karakterišu njihovu strukturu itd. Promene temperature, pritiska i drugih spoljašnjih faktora dovode do promene simetrije rešetke nekih kristala (strukturne fazne transformacije). Preuređenje kristalne rešetke prirodno dovodi do promjene u njenom vibracionom spektru, a Raman je suptilno sredstvo za analizu ovih transformacija.

Na slici 1. prikazana je shema prijelaza, čiji je rezultat prisustvo crvenih i ljubičastih satelita u Ramanovom spektru (RS). Pronađite prirodnu frekvenciju vibracija jezgara u molekulu sumpora? 0 i koeficijent kvazielastične sile, ako je poznato da u vibracionom spektru Ramanovog raspršenja svjetlosti, crveni i ljubičasti sateliti najbliži nepomaknutoj liniji odgovaraju valnim dužinama od 346,6 i 330,0 nm. Koja je talasna dužina pobude RC-a? spektar? Koliki je omjer intenziteta crvenih i ljubičastih satelita na sobnoj temperaturi? Zanemarite anharmoničnost vibracija.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Slika 1. Šema nastanka Stokesovih (a) i anti-Stoksovih (b) satelita u Ramanovom rasejanju

Analizirajući šeme prikazane na slici 1, vidimo da su frekvencije crvenih i ljubičastih satelita povezane sa frekvencijom prirodnih oscilacija omjerima:

gdje? frekvencija svjetlosti koja pobuđuje RR. Slični odnosi će se desiti za valne brojeve koji odgovaraju linijama - sateliti:

Iz formula (2) može se dobiti:

Uzimajući u obzir da iz (3) dobijamo talasni broj koji odgovara prirodnim vibracijama molekula:

Nakon proračuna nalazimo:

U ovom slučaju, frekvencija je rad/s.

Koeficijent kvazielastične sile povezan je sa frekvencijom prirodnog oscilovanja relacijom:

gdje je masa atoma sumpora.

Kao rezultat proračuna dobijamo:

Talni broj uzbudljive linije može se naći po formuli (2):

Na osnovu ovoga

Nakon proračuna dobijamo:

Slika 1. pokazuje da je crveni satelit rezultat raspršenja svjetlosti molekula koji su bili u osnovnom vibracijskom stanju, a ljubičasti satelit je rezultat raspršenja svjetlosti pobuđenih molekula. Razlika u intenzitetu satelita je uglavnom zbog razlike u populaciji država. Ako ne uzmemo u obzir uticaj drugih faktora, onda će omjer intenziteta ljubičastih i crvenih satelita biti jednak omjeru populacija. Stoga, uzimajući u obzir Boltzmannovu formulu, dobijamo:

Uz pretpostavku 300 K, nakon proračuna nalazimo:

Odgovor: 338,1; 0,031.

Medicinska spektroskopija ramanskog raspršenja svjetlosti

Zaključak

AT poslednjih godina Intenzivno se proučavaju karakteristike samog fenomena RRS. Istraživači su u suštini pristupili nizu novih fenomena. To uključuje: 1) rezonantno Ramanovo rasejanje, koje se sastoji u oštrom povećanju efektivnog poprečnog preseka rasejanja kako se frekvencija uzbudljivog zračenja približava opsegu apsorpcije elektrona supstance; 2) stimulirani Raman, koji se sastoji u oštrom smanjenju širine i povećanju intenziteta jedne ili više Ramanovih linija do vrijednosti koje su uporedive sa intenzitetom uzbudljivog zračenja; 3) hiper-Ramanovo rasejanje svetlosti, koje se sastoji u pojavljivanju Ramanovih satelita u frekventnom području drugog optičkog harmonika uzbudljivog zračenja; 4) džinovski RS, koji se sastoji u povećanju do 105-106 puta efektivnog poprečnog preseka rasejanja za određeni broj molekula adsorbovanih na hrapavoj površini nekih metala; 5) koherentno anti-Stoksovo raspršenje, koje se sastoji u naglom povećanju intenziteta i kutne usmjerenosti signala raspršenja kada se supstanca istovremeno pobuđuje sa dva laserska izvora svjetlosti. Svi ovi fenomeni otvaraju nove mogućnosti za rješavanje naučnih i praktičnih problema i nesumnjivo će se koristiti u budućnosti.

Kao jedan od veoma obećavajućim pravcima Spomenimo takozvanu Raman mikroskopiju, koja je razvijena posljednjih godina. Ovdje se rad odvija na putu stvaranja novih tipova mikroskopa koji omogućavaju dobivanje slike mikroobjekata "u svjetlu" različitih Ramanovih linija. U ovom slučaju moguće je razlikovati takve detalje mikroobjekata koji se ili potpuno ne razlikuju ili se slabo razlikuju u konvencionalnom mikroskopu. Konkretno, uz pomoć razlika u Ramanovim spektrima, moguće je razlikovati "zdrave" ćelije od "bolesnih" i utvrditi mikroskopsku prirodu bolesti; otvaraju se mogućnosti za dobijanje podataka o izotopskom sastavu supstanci i mikrodefektima, kao i o naponima u čvrstim materijama. Od velikog je interesa smjer povezan sa selektivnim zagrijavanjem u procesu prisilnih Ramanovih vibracijskih stupnjeva slobode čvrstih tijela za katalizu kemijskih, bioloških, pa čak i nuklearnih procesa.

Dakle, studije Ramanovog rasejanja, koje su započele u 20. veku, prešle su dug put od jedinstvenih eksperimenata u akademskim laboratorijama do eksperimenata velikih razmera od velike praktične važnosti.

Bibliografija

1. Landsberg G.S., Mandelstam L.I. Nova pojava u rasejanju svetlosti

2. V.L. Ginzburg, I.L. Fabelinski, "O istoriji otkrića Ramanskog raspršenja svetlosti"

3. Guseva E.V., Orlov R.Yu. Spektroskopija Ramanovog raspršenja svjetlosti (Ramanova spektroskopija). Primjena u mineralogiji i nauci o materijalima

4. Guseva E.V., Melnikov F.P., Orlov R.Yu., Uspenskaya M.E. Ramanova spektroskopija svjetlosti za analizu gasno-tečnih inkluzija

5. M. M. Sushchinskii, Ramanski spektri rasejanja molekula i kristala

6. Brandmuller I., Moser G., Uvod u Ramanovu spektroskopiju

7. Kohlrausch K. "Raman Spectra"

Hostirano na Allbest.ru

Slični dokumenti

Elastično i neelastično raspršivanje svjetlosti, teorija kombinacije. Upotreba Ramanove spektroskopije za kontrolu medicinskih, narkotičkih i toksičnih droga. Ramansko raspršivanje svjetlosti kao metoda za proučavanje materije, glavne prednosti.

seminarski rad, dodan 28.10.2011


Koncept ramanskog rasipanja svjetlosti. Promenljivo polje svetlosnog talasa. Kvantni prijelazi u Ramanovom raspršenju svjetlosti. Pojava dodatnih linija u spektru raspršenja. Uređaj Raman mikroskopa, glavna područja njegove primjene.

sažetak, dodan 01.08.2014


Istraživanje ultrananokristalnih dijamantskih filmova metodama Ramanovog raspršenja. Uticaj moći lasersko zračenje o informativnom sadržaju spektra. Izgledi UNCD filmova kao novog nanomaterijala za upotrebu u elektronici.

seminarski rad, dodan 30.01.2014


Opće informacije o interakciji zračenja sa materijom. Karakteristike Ramanovog spektrometra. Analiza niskofrekventnog dijela spektra stroncij-boratnog stakla. Obrada dobijenih eksperimentalnih spektra radi poboljšanja njihovog kvaliteta.

seminarski rad, dodan 03.12.2012


Fizički mehanizam rasejanja na pojedinačnoj čestici. Međusobno pojačavanje ili potiskivanje rasejanih talasa. Višestruko rasipanje svjetlosti. Ukupni intenzitet raspršenja klastera čestica. Polarizacija svetlosti tokom rasejanja. Upotreba polarizovane svetlosti.

seminarski rad, dodan 05.06.2015


Spektralna mjerenja intenziteta svjetlosti. Ispitivanje raspršenja svjetlosti u magnetnim koloidima kobalt ferita i magnetita u kerozinu. Krivulje smanjenja intenziteta raspršene svjetlosti s vremenom nakon gašenja električnog i magnetskog polja.

članak, dodan 19.03.2007


Određivanje strukture materije kao jedan od centralnih zadataka fizike. Korištenje metode molekularnog raspršenja svjetlosti u tekućinama. Vijek trajanja fluktuacija u tekućinama. Mehanizam koji seče krilo konture disperzije u stvarnim fizičkim sistemima.

sažetak, dodan 22.06.2015


Povijest otkrivanja uzroka plave boje neba: teorija starih Grka; Geteove i Njutnove hipoteze. Pogrešnost Rayleighove teorije raspršenja svjetlosti toplinskim vibracijama plinovitog omotača planete. Molekularno rasipanje svjetlosti: Smoluchowskijeva teorija opalescencije.

sažetak, dodan 23.09.2012


Istraživanje sudarskih procesa i razvoj teorije raspršenja. Elastično raspršenje, u kojem molekula ostaje u svom izvornom stanju nakon sudara. Izračunavanje integrala po koordinatama upadnog elektrona pomoću Fourierove relacije.

disertacija, dodata 19.05.2014


Kvantna teorija Comptonovog raspršenja. Smjer kretanja elektrona trzanja. Lagani pritisak. Serijske pravilnosti u spektrima atoma vodika. Thomson, Rutherfordov model. Borovi postulati. De Broljeva hipoteza. Elementi kvantnomehaničke teorije.

Ramansko (Ramansko) rasipanje svjetlosti. Fizički mehanizam raspršenja. Osnovne jednadžbe i parametri.

Ramansko (Ramansko) rasipanje svjetlosti.

U ovom predavanju prelazimo na analizu efekata stimulisanog Ramanovog rasejanja (SRS), možda jednog od najvažnijih nelinearnih talasnih procesa. Suština spontanog Ramanskog (Ramanskog) rasejanja (RS) je sledeća. Kada kvazimonokromatsko zračenje prolazi kroz homogeni medij, spektralne komponente se pojavljuju u spektru raspršenog zračenja na frekvencijama ω s , koje su kom-

binacija frekvencije zračenja pumpe ω n i frekvencije prirodnih oscilacija medija ω 0 :

Ovdje je n cijeli broj. U ovom slučaju, rasejano zračenje je praktično izotropno i njegov intenzitet je reda veličine 10–6 –10–8 od intenziteta pumpe. Trenutno se ovaj fenomen široko koristi za kvalitativnu i kvantitativnu analizu mješavina tekućina i plinova, jer omogućava suditi o sastavu prema omjeru intenziteta na frekvencijama ω s , i

mješavina koja sadrži molekularne komponente i koje imaju odgovarajuće frekvencije ω 0, i .

(Stokesove komponente), a intenzitet ovih komponenti bio je uporediv sa intenzitetom pumpe. Osim toga, kada se posmatra snop pumpe okomito na osu, na ekranu je uočen niz prstenova. U ovom slučaju, prstenovi su sadržavali spektralne komponente koje zadovoljavaju uslov ω a = ω n + n ω 0

(anti-Stokes komponente). Ovaj fenomen se naziva stimulisano Ramanovo rasejanje (SRS).

Fizički mehanizam raspršenja.

Fizika ovog fenomena može se objasniti jednostavnim klasičnim modelom interakcije svjetlosti s molekulima koji je predložio Placzek. Učinak Ramanovog raspršenja povezan je s ovisnošću elektronske polarizabilnosti molekule α o nuklearnoj konfiguraciji, datoj koordinatama jezgara u molekuli q:

Pojam sa ∂ α ∂ q q = 0 opisuje modulaciju svjetlosti molekularnim vibracijama;

u ovom slučaju se u spektru polarizacije molekule pojavljuju nove frekvencijske komponente, pomaknute za frekvenciju ω 0 nuklearnih vibracija:

U uslovima kada je pomeranje koordinata jezgara u molekulu q određeno toplotnim kretanjem u medijumu, jednačina (15.3) opisuje spontano Ramanovo rasejanje. Ako upadno svjetlosno polje ima frekvenciju ω n, i može-

molekularne vibracije se javljaju sa prosječnom frekvencijom ω 0 zbog (15.1), zatim se Stoksove (ω c = ω n − ω 0 ) i anti-Stoksove (ω a = ω n + ω 0 ) komponente pojavljuju u svjetlosnom polju raspršenom molekula.

Spontano Ramanovo rasejanje ima prilično jednostavnu kvantnu interpretaciju (slika 15.2). Kada svjetlosno zračenje prolazi kroz medij, moguć je dvofotonski proces u kojem se apsorbira svjetlosni kvant s frekvencijom pumpanja ω n uz istovremenu emisiju svjetlosnog kvanta

na frekvenciji Stokesove komponente ω s , i molekul prelazi u pobuđenu

stanje. U slučaju kada svjetlost stupi u interakciju s molekulom u pobuđenom stanju, tada se javlja i dvofotonski proces u kojem kvant na frekvenciji ω n nestaje, emituje se kvant na frekvenciji ω a, a molekul ne

prelazi u osnovno stanje.

PREDAVANJE br. 15. STIMULIRANO RAMANSKO RASPEĆANJE

ωn

Stoga, pri α 0 "≠ 0, u svjetlosnom polju nastaje sila koja djeluje na molekularne vibracije:

Ova sila može dovesti do njihovog rezonantnog nagomilavanja ako polje sadrži dvije spektralne komponente sa frekvencijama ω 1 i ω 2 , razlika između kojih

ω 1 − ω 2 ≈ ω 0 je približno jednak frekvenciji molekularnih vibracija. U ovim

U uslovima, haotične intramolekularne oscilacije, koje imaju fluktuacioni karakter, su superponovane pravilnim prisilnim oscilacijama, čije su faze određene fazama svetlosnih polja.

Stimulirano Ramanovo raspršenje je proces koji nastaje zbog optičke pobude intramolekularnih vibracija; rezonantni dublet nastaje zbog Stokesovog raspršenja snažnog laserskog talasa

PREDAVANJE br. 15. STIMULIRANO RAMANSKO RASPEĆANJE

(talasi pumpe). Ako se intramolekularne vibracije pobuđuju svjetlošću, obrazac raspršenja se također kvalitativno mijenja. Slab rast raspršenih komponenti svjetlosti u spontanom raspršenju zamjenjuje se nestabilnim eksponencijalnim rastom raspršenih komponenti u stimuliranom raspršenju. U nelinearnoj optici ova se okolnost koristi za efikasnu konverziju frekvencije.

Osnovne jednadžbe i parametri.

Predstavimo jednostavan teorijski model koji opisuje SRS proces. Koristeći relaciju (15.5), zapisujemo jednačinu za molekularne vibracije (zanemarujemo efekte promjena razlike u populaciji) u obliku

(15.6) opisuje djelovanje polja na molekularne vibracije. Zauzvrat, oscilacije q stvaraju nelinearnu polarizaciju u mediju P nl = N α "q E i tako

dakle, imaju inverzni efekat na polje, što je izraženo jednačinom

širina linije spontanog Ramanovog rasejanja i obično je izražena

su u cm–1 δν 0 = δω 0 2 π c = 1 π cT .

Uzimajući u obzir interakciju talasa bliskih monohromatskim, q pišemo u obliku sličnom (15.7)–(15.8):

Tada u stacionarnom slučaju rješenje jednadžbe (15.6), uzimajući u obzir (15.7) - (15.8), za ω 0 = ω n − ω s ima oblik (15.11)

2 ωmc

Ovdje napominjemo da je valni vektor k 0 molekularnih pobuđivanja određen talasnim vektorima pumpanja k n i Stoksovog zračenja k s: k 0 = k n – k s i predstavlja „fiktivan“ valni vektor, budući da se vibracije svake molekule javljaju nezavisno, a fazu ovih vibracija određuju fazna razlika pumpe i Stokesove komponente, koje zauzvrat zavise od disperzije medija. Uzimajući u obzir amplitude I sa I n, i Q koji se relativno sporo mijenjaju u prostoru, iz jednačine (15.9) dobijamo za sporo promjenjivu amplitudu sistem skraćenih jednačina sljedećeg oblika:

Parametri ovih jednačina su: vrijeme relaksacije T, frekvencije interakcijskih valova i konstanta koja određuje optičku nelinearnost medija

Smatrajući A n jakim i datim, iz jednačine (15.12) za A sa dobijamo rješenje u obliku

Ovdje je A 0 s amplituda Stokesove komponente na ulazu u medij, što je toplinsko i vrlo slabo zračenje; g \u003d g" A n 2.

Dakle, vidimo da amplituda Stokesove komponente raste eksponencijalno duž prostiranja zraka pumpe. Amplituda molekularnih vibracija takođe raste eksponencijalno sa rastojanjem, što na kvantnom jeziku znači povećanje populacije pobuđenog stanja molekula. Ovo posljednje bi također trebalo dovesti do povećanja anti-Stokes komponente. Karakteristike ovaj proces će biti razmatran u nastavku.

Dakle, korištenjem klasičnog Placzekovog modela, pokazano je da polje Stokesove komponente može eksponencijalno rasti duž smjera zraka pumpe.

Ramansko raspršivanje svjetlosti, raspršivanje svjetlosnih valova, pri čemu se frekvencije upadnih i reemitiranih (raspršenih) valova međusobno razlikuju po frekvencijama prirodnih vibracija u materiji (frekvencije kvantnih prijelaza između elektronskih, vibracijskih i rotacijskih energetskih nivoa u atomi i molekuli, frekvencije optičkih fonona u kristalima itd.).

Austrijski fizičar A. Smekal je 1923. godine predvidio efekat ramanskog rasipanja svjetlosti; otkrili G. S. Landsberg i L. I. Mandelstam 1928. tokom raspršivanja svjetlosti u kristalima. U isto vrijeme, Ramanovo rasipanje svjetlosti u tekućinama registrovali su C. V. Raman i indijski fizičar K. S. Krishnan.

Klasična slika Ramanovog raspršenja svjetlosti može se razmotriti na primjeru molekularnih vibracija. fluktuacije atomska jezgra u molekulu sa frekvencijom Ω moduliraju polarizabilnost molekula, što dovodi do odgovarajuće promjene permitivnosti medija. Amplituda svjetlosnog vala frekvencije ω 0 koji prolazi kroz medij sa moduliranim permitivnost, je moduliran frekvencijom Ω. To znači da se u talasnom spektru, pored glavne komponente, pojavljuju i „bočne“ linije sa frekvencijama ω s = ω 0 -Ω i ω a = ω 0 + Ω. Niskofrekventna linija (ω s) obično se naziva Stokesova komponenta Ramanovog raspršenja, a visokofrekventna linija (ω a) se naziva anti-Stokesova komponenta.

Slično tumačenje Ramanovog raspršenja svjetlosti vrijedi i za slučaj elastičnih vibracija u čvrste materije, za rotaciono kretanje molekula, za intraatomsko (intramolekularno) kretanje elektrona, itd.

Prema kvantna teorija, Ramanovo rasipanje svjetlosti je dvofotonski proces (vidi Višefotonski procesi), u kojem u jednom elementarnom činu interakcije elektromagnetno polje sa kvantnim sistemom (atom, molekul, itd.) jedan foton upadnog zračenja frekvencije ω 0 se apsorbira i emituje foton raspršenog zračenja frekvencije ω. U ovom slučaju, kvantni sistem prelazi iz početnog stanja sa energijom E i u konačno stanje sa energijom E f . U skladu sa zakonom održanja energije, frekvencija raspršenog zračenja određena je jednakošću ćω = ćω 0 - ćω fi , gdje je ω fi = (E f - E i)/ć kvantna prijelazna frekvencija, ć Planckova konstantan. Ako je kvantni sistem prvobitno bio u stanju niže energije, E i< E f (рис. 1 ,а), то рассеянное излучение смещено в сторону меньших частот на величину Ω = |ω fi |, то есть ω = ω s = ω 0 -Ω (стоксова компонента). Если же E i >E f (Sl. 1b), tada raspršena svjetlost ima veću frekvenciju: ω = ω a = ω 0 + Ω (anti-Stokes komponenta). Dakle, ω je kombinacija frekvencije upadnog zračenja i prirodnih frekvencija supstance: otuda i naziv efekta. Takođe je rasprostranjen (posebno u strane književnosti) naziv Ramanovo raspršivanje, ili Ramanov efekat.

Fotoni raspršenog zračenja mogu se emitovati kao rezultat bilo spontanih kvantnih prijelaza ili prijelaza induciranih zračenjem na frekvenciji ω (vidi Stimulirana emisija). U prvom slučaju govorimo o takozvanom spontanom ramanskom rasejanju svetlosti, u drugom - o stimulisanom ramanskom rasejanju (vidi Stimulisano ramansko rasipanje). Prilikom spontanog raspršenja dolazi do zračenja u svim smjerovima, a pojedinačni aktovi emisije fotona nisu međusobno povezani. Stoga se ispostavlja da je raspršeno zračenje nekoherentno. Njegov intenzitet je proporcionalan intenzitetu upadnog zračenja i gustini broja kvantnih sistema (atoma, molekula) koji su na početnom nivou. Pošto pod normalnim uslovima stanovništva kvantne nivoe brzo opadaju sa povećanjem energije, intenzitet anti-Stoksovih komponenti, za koje se pobuđuje početni nivo, po pravilu je znatno manji od intenziteta Stokesovih linija rasejanja.

Za dobijanje spektra spontanog Ramanovog rasejanja svetlosti potrebno je koristiti izvore intenzivnog monohromatskog zračenja. Kao takve, živine lampe su se dugo koristile. Od 1960-ih, laseri su bili glavni izvori uzbudljivog zračenja.

Spontano Ramanovo rasipanje svjetlosti obično se snima u smjeru okomitom na snop uzbudljive svjetlosti. U ovom slučaju, spektar sadrži centralnu liniju sa frekvencijom ω 0 zbog Rayleighovog raspršenja upadnog zračenja (vidi raspršivanje svjetlosti) i niz satelitskih linija u Stokesovim (niska frekvencija) i anti-Stokesovim područjima. Mjerenje frekvencijskih intervala između linija daje informacije o strukturi energetskog spektra tvari, a širina i oblik spektralnih linija omogućavaju suđenje relaksacijskih procesa u tvari.

Budući da je Ramanovo raspršenje dvofotonski proces, ono se pridržava pravila selekcije koja se razlikuju od onih za jednofotonske procese odgovorne za rezonantnu apsorpciju svjetlosti i luminescenciju. Stoga, Ramanovi spektri često pokazuju kvantne prelaze koji su odsutni u spektru apsorpcije i luminiscencije. Ramanovo rasipanje svjetlosti omogućava proučavanje, korištenjem optičkog zračenja, elementarnih pobuda čije se frekvencije nalaze u dalekom infracrvenom području, pa čak i u radio opsegu.

Stimulisano Ramanovo rasejanje (SRS) manifestuje se pri velikom intenzitetu upadnog zračenja (pumpe). U ovom slučaju, gustoća raspršenih fotona postaje toliko značajna da dominantan doprinos proizvodnji novih fotona dolazi od stimuliranih emisionih procesa. Kao rezultat, nastaju korelacije između elementarnih događaja raspršenja u različite tačke medija, a rasejano zračenje postaje koherentno.

Tokom SRS-a, pored dvofotonskih procesa, značajnu ulogu imaju i četvorofotonski parametarski procesi sa frekvencijama 2ω 0 - ω s - ω a = 0 (slika 2), koji su odgovorni za istovremenu pojavu Stokesa. i anti-Stokes komponente. Pošto se fazno podudaranje talasa dešava tokom parametarskih procesa, anti-Stoksova komponenta se primećuje tokom SRS samo u pravcu propagacije pumpe. Istovremeno, efikasna generacija Stokesove komponente je moguća i u direktnoj i u in obrnuti smjer. SRS se široko koristi za pretvaranje frekvencije laserskog zračenja.

Spektroskopija spontanog Ramanovog rasejanja je efikasan metod proučavanja strukture molekula i procesa njihove interakcije sa okruženje. Metode Ramanovog raspršenja svjetlosti također se koriste za proučavanje kvazičestica u čvrstim tijelima, strukture nanostrukturiranih formacija i procesa u njima. Ramansko raspršivanje svjetlosti koristi se u spektralnoj analizi, koja se široko koristi u kemijskim istraživanjima. Svako hemijsko jedinjenje ima svoj specifični Ramanov spektar, na osnovu kojeg je moguće identifikovati ovo jedinjenje i detektovati ga u smeši (vidi Spektralnu analizu). Parametri nekih linija u Ramanovim spektrima su sačuvani u različitim hemijska jedinjenja koji sadrže isti strukturni element, na primjer C=C, C-H, itd. Ovo se koristi u strukturna analiza molekule nepoznate strukture.

Stimulirano Ramanovo rasipanje svjetlosti postalo je osnova za brojne metode nelinearne spektroskopije, koje omogućavaju izvođenje studija materije visoke prostorne i vremenske rezolucije.

Lit.: Sushchinsky M. M. Ramanski spektri raspršenja kristalnih molekula. M., 1969; on je. Ramansko raspršivanje svjetlosti i struktura materije. M., 1981; Shen IR Principi nelinearne optike. M., 1989.