tek renkli ışıkÖrnek üzerindeki olay yansıtılabilir, emilebilir veya saçılabilir. Işığın saçılması süreci esnek (yani ışık ve madde arasında enerji alışverişi olmadan gerçekleşebilir) ve esnek olmayan (yani ışık ve madde arasında enerjinin yeniden dağılımı meydana gelebilir) olmalıdır.
Işığın elastik saçılımına Rayleigh denir. Baskındır: ortalama olarak, on milyonda sadece bir foton esnek olmayan bir şekilde saçılır. Rayleigh saçılmasında, saçılan ışığın frekansı, gelen ışığın frekansına tam olarak eşittir.
Esnek olmayan ışık saçılımına Raman saçılımı (RS) veya Raman denir. Raman saçılmasında ışık ve madde enerji alışverişinde bulunur. Sonuç olarak, saçılan ışığın frekansı ya azalabilir (enerji ışıktan maddeye aktarılırken - bu Stokes saçılmasıdır) ya da artabilir (bu durumda enerji maddeden ışığa aktarılır - bu Anti-Stokes saçılmasıdır) ).
Saçılma, bir fotonun çok hızlı bir absorpsiyon ve emisyon süreci olarak görülebilir. Bir fotonun böyle bir absorpsiyonuyla, foton enerjisi bu süreç için yetersizse, molekül kararlı bir uyarılmış elektronik duruma geçmez. Çok kısa bir süre sonra bir foton yaydığı kararsız bir uyarılmış duruma geçer.
Rayleigh saçılmasında, bir molekül sıfır titreşim seviyesinden bir fotonu emer ve emisyondan sonra ona geçer. Stokes saçılmasında, bir molekül sıfır titreşim seviyesinden bir fotonu emer, ancak emisyondan sonra fotonun enerjisinin bir kısmını emerek birincisine geçer. Aksine, Anti-Stokes saçılması sırasında, molekül ilk titreşim seviyesinden bir fotonu emer ve emisyondan sonra sıfıra geçerek enerjisinin bir kısmını yayılan fotona verir.
Termal denge koşulları altında, titreşim seviyelerinin popülasyonu Boltzmann dağılımına uyar, yani popülasyon, yüksek seviyeler katlanarak azalır. Buna göre, birinci seviye sıfır olandan çok daha az bir ölçüde doldurulur, bu da Stokes çizgilerinin yoğunluğuna kıyasla Raman spektrumundaki Anti-Stokes çizgilerinin çok daha düşük bir yoğunluğuna yol açar.
Kural olarak, Raman spektrumu tam olarak onun daha yoğun Stokes kısmı olarak anlaşılır. Rayleigh saçılmasının frekansı (yani, radyasyon kaynağının frekansı) "sıfır" olarak alınır ve spektrumdaki çizginin frekansı, Stokes çizgisinin frekansı Rayleigh radyasyonunun frekansından çıkarılarak hesaplanır.
Genel durumda, ışığın saçılması süreci, absorpsiyon süreci ile rekabet eder. Radyasyon absorbe edildiğinde, molekül en düşük uyarılmış elektronik duruma aktarılır. Temel duruma ters geçiş, ya tamamen ışınımsız olabilir ya da daha düşük bir frekansın ışık emisyonu ile birlikte olabilir. Bu radyasyona fotolüminesans denir. Uyarılmış elektronik durumun dönüş konfigürasyonuna bağlı olarak, fotolüminesans floresan ve fosforesans olarak ikiye ayrılır.
Fotolüminesans çizgileri Raman çizgilerinden çok daha yoğundur. Böylece uygun bir dedektör ile donatılmış bir Raman spektrometresi ile Raman spektrumunu ve fotolüminesans spektrumunu aynı noktada sorunsuz bir şekilde aynı anda elde etmek mümkündür.
Bununla birlikte, bazı durumlarda, fotolüminesans spektrumu, istenmeyen bir etki olan Raman spektrumunun üzerine bindirilebilir. Aşağıda, UV'de ışıkla ışınlandığında görünür ve IR'ye yakın bölgelerde güçlü bir şekilde flüoresans yapan renkli bir polimerin koşullu Raman / fotolüminesans spektrumu yer almaktadır. görünür aralıklar. Bu gibi durumlarda, kural olarak, yoğun floresan görünümünden kaçınacak şekilde heyecan verici radyasyonun frekansı seçilmeye çalışılır. Seçeneklerden biri, Raman radyasyonunun uyarılması için yakın IR aralığında radyasyon kaynaklarının kullanılmasıdır.

Çoğu organik molekülün Raman spektrumu, bükülme ve gerilme titreşimlerine karşılık gelen çizgilerden oluşur. Kimyasal bağlar karbon (C), genellikle hidrojen (H), oksijen (O) ve azot (N) gibi diğer elementlerle ve ayrıca çeşitli fonksiyonel grupların (hidroksil -OH, amino grubu -NH2, vb.) karakteristik titreşimleri. Bu çizgiler 600 cm-1 (tek bir C-C bağları) 3600 cm-1'e kadar (hidroksil -OH grubunun titreşimleri). Ayrıca 250-400 cm-1 aralığındaki organik moleküllerin spektrumlarında alifatik zincirin bükülme titreşimleri ortaya çıkar.
Dipol momentinde bir değişiklikle titreşim geçişlerine karşılık gelen çizgilerin göründüğü IR spektrumunun aksine, Raman spektrumunda molekülün polarize edilebilirliğinde bir değişiklikle titreşim geçişlerine karşılık gelen çizgiler görünür. Bu nedenle, IC ve CR özel değil, tamamlayıcıdır. spektrometrik yöntemler. Bir noktada Raman ve IR spektrumlarını aynı anda elde etmeyi mümkün kılan Raman spektrometreleri vardır (LAbRAM ARAMIS IR2).
Kristal kafeslerin Raman spektrumları, katı hal fiziğinde yarı parçacıklar olarak kabul edilen, kafesin toplu uyarılmış durumları tarafından radyasyonun saçılmasına karşılık gelen çizgiler içerir. En yaygın olanları optik ve akustik fononları, plazmonları ve magnonları içeren Raman-aktif geçişlerdir.

Quasiparticle - belirli bir enerjiye ve bir kural olarak momentuma sahip olan çok parçacıklı bir sistemin bir miktar toplu salınımı veya bozulması. Yarı parçacıklar ve sıradan parçacıklar arasında bir takım benzerlikler ve farklılıklar vardır. Uyumlu alan teorisi gibi birçok alan teorisinde, parçacıklar ve yarı parçacıklar arasında hiçbir ayrım yapılmaz. (Vikipedi)
Bir fonon, Rus bilim adamı I. Tamm tarafından tanıtılan bir yarı parçacıktır. Bir fonon bir kuantumdur salınım hareketi kristal atomlar. Fonon kavramının katı hal fiziğinde çok verimli olduğu ortaya çıktı. Kristal malzemelerde, atomlar birbirleriyle aktif olarak etkileşime girer ve içlerindeki tek tek atomların titreşimleri gibi termodinamik olayları düşünmek zordur - trilyonlarca birbirine bağlı doğrusaldan devasa sistemler elde edilir. diferansiyel denklemler analitik olarak çözülemez. Kristal atomların titreşimleri, sistemin maddesindeki yayılma ile değiştirilir. ses dalgaları, kuantaları fonon olan. Fonon dönüşü sıfırdır (h biriminde). Fonon bozonlardan biridir ve Bose-Einstein istatistikleriyle tanımlanır. Fononlar ve elektronlarla etkileşimleri, süperiletkenlerin fiziği hakkındaki modern fikirlerde temel bir rol oynar. (Vikipedi)
Akustik bir fonon, küçük dalga vektörleri için doğrusal bir dağılım yasası ve birim hücredeki tüm atomların paralel yer değiştirmesi ile karakterize edilir. Böyle bir dağılım yasası, kafesin akustik salınımlarını tanımlar (bu nedenle fonona akustik denir). (Wikipedia) Akustik fononların enerjisi genellikle düşüktür (1 cm-1 ila 30 cm-1 arasında).
Optik fononlar, yalnızca birim hücresi iki veya daha fazla atom içeren kristallerde bulunur. Bu fononlar, küçük dalga vektörlerinde atomların titreşimleriyle karakterize edilir, öyle ki birim hücrenin ağırlık merkezi hareketsiz kalır. Optik fononların enerjisi genellikle oldukça yüksektir (500 cm-1 düzeyinde) ve zayıf bir şekilde dalga vektörüne bağlıdır. (Vikipedi)
Plazmon, serbest elektron gazının toplu salınımları olan plazma salınımlarının nicelenmesine karşılık gelen yarı parçacıktır. Plazmonlar metallerin optik özelliklerinde önemli bir rol oynar. Plazma frekansının altındaki ışık yansıtılır çünkü metaldeki elektronlar ışığın elektromanyetik dalgasındaki elektrik alanını korur. Plazma frekansının üzerindeki ışık geçer çünkü elektronlar onu korumaya yetecek kadar hızlı tepki veremez. Çoğu metalde, plazma frekansı, spektrumun ultraviyole bölgesindedir ve bu da onları görünür aralıkta parlak hale getirir. Katkılı yarı iletkenlerde plazma frekansı genellikle ultraviyole bölgesindedir. (Vikipedi)
Yüzey plazmonları (yüzeylerle sınırlı plazmonlar) ışıkla güçlü bir şekilde etkileşime girerek polaritonların oluşumuna neden olur. RS'nin yüzey iyileştirmesinde rol oynarlar, Raman saçılmasıışık (SERS) ve metallerin kırınımındaki anormallikleri açıklamada. Yüzey plazmon rezonansı, biyokimyada bir yüzeydeki moleküllerin varlığını tespit etmek için kullanılır. (Vikipedi)
Magnon, etkileşen spinler sisteminin temel uyarımına karşılık gelen bir yarı parçacıktır. Birkaç manyetik alt örgüye sahip kristallerde (örneğin, antiferromıknatıslar), farklı enerji spektrumlarına sahip birkaç tip magnon olabilir. Magnonlar Bose-Einstein istatistiklerine uyar. Magnonlar birbirleriyle ve diğer kuasipartiküllerle etkileşime girer. Magnonların varlığı, nötronların, elektronların ve ışığın saçılması üzerine yapılan deneylerle, bir magnon'un doğumu veya yok edilmesiyle birlikte doğrulanır.
Magnon kavramı 1930'da Felix Bloch tarafından ferromıknatıslarda kendiliğinden mıknatıslanmadaki azalma olgusunu nicel olarak açıklamak için tanıtıldı. bir sıcaklıkta tamamen sıfır bir ferromıknatıs, atomik dönüşlerin (manyetik momentlerin yanı sıra) aynı yönde hizalandığı en düşük enerji durumuna ulaşır. Sıcaklık yükseldikçe, dönüşler genel yönden sapmaya başlar, böylece artar. içsel enerji ve toplam manyetizasyonun azaltılması. İdeal olarak manyetize edilmiş bir ferromıknatısı bir vakum durumu olarak hayal edersek, ideal düzenin az sayıda ters çevrilmiş spin tarafından ihlal edildiği düşük sıcaklıklardaki durum, bir quasipartikül gazı - magnon olarak temsil edilebilir. Her magnon, doğru hizalanmış dönüşlerin sayısını h ile ve kuantizasyon ekseni boyunca toplam manyetik momenti gh ile azaltır; burada g, gyromanyetik orandır. (Vikipedi)

İyi çalışmalarınızı bilgi tabanına gönderin basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan öğrenciler, yüksek lisans öğrencileri, genç bilim adamları size çok minnettar olacaktır.

Yayınlanan http://www.allbest.ru/

Belarus Cumhuriyeti Eğitim Bakanlığı

Belarus Devleti Pedagoji Üniversitesi Maxim Tank'ın adını taşıyan

DERS ÇALIŞMASI

Konuyla ilgili: "Raman spektroskopisinin tıpta uygulanması"

Başkan: Maskevich Sergey Alexandrovich

giriiş

2. Uyuşturucu, narkotik ve toksik ilaçların kontrolü için Raman spektroskopisinin uygulanması

Çözüm

bibliyografya

giriiş

Dalgalar maddi bir ortamda yayıldığında, en basit durum dalgalar arasında herhangi bir etkileşimin olmamasıdır. Bu durumda dalgalar, karşılık gelen salınım işlemlerinin frekansında, genliğinde ve fazında herhangi bir değişiklik olmaksızın birbirinin içinden geçer.

Etkileşen dalgalar için daha karmaşık bir resim gerçekleştirilir. Özellikle, bu tür dalgalar için, yüksek frekanslı salınımların düşük frekanslı salınımlarla genlik modülasyonu işlemi gerçekleştirilebilir. Modülasyon sonucunda yüksek (w0) ve düşük (W) frekanslı orijinal dalgalarla birlikte w0 - W ve w0 + W frekanslarında kombinasyon dalgalar ortaya çıkar. Bu dalgaların yaratıcıları tarafından kullanılan özelliğidir. telsiz telgraf geç XIX yüzyıllar. Bu durumda, bir radyo dalgası, bir yüksek frekans dalgası taşıyıcısı olarak hizmet etti ve düşük frekanslı dalgalar, ses aralığına karşılık geldi ve iletim için gerekli bilgileri temsil etti.

Bilindiği gibi, ilk kez, 1895 yılında A.S. Popov. Benzer çalışmalar aynı zamanda Batı'da F. Brown ve T. Marconi tarafından yapılmıştır. 1909'da kablosuz telgrafın yaratılması için Nobel Ödülü'ne layık görüldüler.

F. Braun, 1899'da L.I.'de Strasbourg Üniversitesi Fizik Bölümü'nde profesördü. Mandelstam. Araştırmanın amacı L.I. Mandelstam, katılardaki akustik dalgalardı. Görüldüğü gibi, bu tür dalgalar, herhangi bir dış ses sinyalinin yokluğunda bile maddi ortamda mevcuttur. Bu bağlamda, L.I. 1926'da Mandelstam, katılardaki ışık dalgalarının termal (akustik) dalgalar tarafından modülasyonu sorununu ele aldığı bir makale yayınladı.

Yoğunlaştırılmış ortamda ışığın saçılması üzerine deneyler 1926'da Moskova'da G.S. Landsberg ve L.I. Mandelstam. Araştırmanın amaçlarından biri kristal kuvarstı; heyecan verici bir radyasyon kaynağı olarak, absorpsiyon filtreleri kullanılarak gaz deşarjının spektrumundan izole edilen yoğun bir cıva lambası çizgileri kullanıldı. Bu deneylerin bir sonucu olarak, gerçekten de saçılan ışığın spektrumunda, frekansı birincil, uyarıcı radyasyonun frekansına göre kaydırılan zayıf bir radyasyon olduğu bulundu. Spektrumun, w0 - Wj (Stokes uydusu) ve w0 + Wj (anti-Stokes uydusu) frekanslarıyla heyecan verici radyasyonun w0 frekansına göre simetrik birkaç uydu içerdiği ortaya çıktı. Ayrıca, uyarıcı radyasyonun w0 frekansında gözlemlenen Wj kaymalarının, Mandelshtam'ın teorisinde ışık saçılımının nedeni olarak kabul edilen akustik dalgaların karakteristik frekanslarından birkaç büyüklük sırası daha yüksek olduğu ortaya çıktı. Daha sonra, akustik dalgalar ile birlikte, uyarma radyasyon dalgası ile birlikte, diğer birçok dalga tipinin, özellikle, bir ilkel bir hücrenin eşdeğer olmayan atomlarının zıt hareketi ile karakterize edilen optik salınım dalgalarının olabileceği bulundu. kristal. Landsberg ve Mandelstam'ın deneylerinde gözlemlenen heyecan verici radyasyonun frekansındaki kaymanın nedeni buydu. Daha sonra, bu tür saçılma onlar tarafından Raman ışık saçılması olarak adlandırıldı.

Aynı zamanda (1928'de), Hintli fizikçiler Ch. Raman ve K. Krishnan, sıvılarda ışık saçılımı çalışması üzerine benzer deneyler yaptılar. İlk deneylerde Hintli bilim adamları, heyecan verici bir radyasyon kaynağı olarak bir güneş ışını kullandılar. Bazı absorpsiyon filtreleri kombinasyonlarını kullanarak, ışığın sıvılar içinde saçıldığı ve buna w" = w0 - W frekans kayması eşlik ettiği sonucuna vardılar (w0 uyarıcı radyasyonun frekansı, w" saçılan ışığın frekansıdır) ve deneylerinin sonuçları, Compton etkisinin optik analogunun bir tezahürü olarak yorumlandı. Bu fenomen daha sonra Raman etkisi olarak adlandırıldı. 1930'da bu fenomenin keşfi için Ch. Raman'a Nobel Ödülü verildi.

Mandelstam ve Landsberg tarafından önerilen Raman saçılması (RSS) teriminin bağımsız bir anlama sahip olduğu ve bilimsel literatürde yaygın olarak kullanıldığı belirtilmelidir.

İlk çalışmalardan başlayarak yeni bir ışık saçılımı türünün incelenmesi, bilim camiasının geniş çevrelerinin hemen dikkatini çekti. Kuşkusuz, bu fenomenin keşfi en çarpıcı olanlardan biridir. bilimsel başarılar XX yüzyıl.

1. Raman saçılma yöntemi teorisi

Bir numuneye gelen monokromatik ışık yansıyabilir, emilebilir veya saçılabilir. Işığın saçılması süreci esnek (yani ışık ve madde arasında enerji alışverişi olmadan gerçekleşebilir) ve esnek olmayan (yani ışık ve madde arasında enerjinin yeniden dağılımı meydana gelebilir) olabilir.

Işığın elastik saçılımına Rayleigh denir. Baskındır: ortalama olarak, on milyonda sadece bir foton esnek olmayan bir şekilde saçılır. Rayleigh saçılmasında, saçılan ışığın frekansı, gelen ışığın frekansına tam olarak eşittir.

Esnek olmayan ışık saçılımına Raman saçılımı (RS) veya Raman denir. Raman saçılmasında ışık ve madde enerji alışverişinde bulunur. Sonuç olarak, saçılan ışığın frekansı azalabilir (bu durumda enerji ışıktan maddeye geçer - bu Stokes saçılmasıdır) veya artabilir (bu durumda enerji maddeden ışığa geçer - bu Anti-Stokes saçılma).

Saçılma, bir fotonun çok hızlı bir absorpsiyon ve emisyon süreci olarak görülebilir. Bir fotonun böyle bir absorpsiyonuyla, foton enerjisi bu süreç için yetersizse, molekül kararlı bir uyarılmış elektronik duruma geçmez. Çok kısa bir süre sonra bir foton yaydığı kararsız bir uyarılmış duruma geçer.

Rayleigh saçılmasında, bir molekül sıfır titreşim seviyesinden bir fotonu emer ve emisyondan sonra ona geçer. Stokes saçılmasında, bir molekül sıfır titreşim seviyesinden bir fotonu emer, ancak emisyondan sonra fotonun enerjisinin bir kısmını emerek birincisine geçer. Aksine, Anti-Stokes saçılması sırasında, molekül ilk titreşim seviyesinden bir fotonu emer ve emisyondan sonra sıfıra geçerek enerjisinin bir kısmını yayılan fotona verir.

Termal denge koşulları altında, titreşim seviyelerinin popülasyonu Boltzmann dağılımına uyar, yani daha yüksek seviyelerin popülasyonu katlanarak azalır. Buna göre, birinci seviye sıfır olandan çok daha az bir ölçüde doldurulur, bu da Stokes çizgilerinin yoğunluğuna kıyasla Raman spektrumundaki Anti-Stokes çizgilerinin çok daha düşük bir yoğunluğuna yol açar.

Kural olarak, Raman spektrumu tam olarak onun daha yoğun Stokes kısmı olarak anlaşılır. Rayleigh saçılmasının frekansı (yani, radyasyon kaynağının frekansı) "sıfır" olarak alınır ve spektrumdaki çizginin frekansı, Stokes çizgisinin frekansı Rayleigh radyasyonunun frekansından çıkarılarak hesaplanır.

Genel durumda, ışığın saçılması süreci, absorpsiyon süreci ile rekabet eder. Radyasyon absorbe edildiğinde, molekül en düşük uyarılmış elektronik duruma aktarılır. Temel duruma ters geçiş, ya tamamen ışınımsız olabilir ya da daha düşük bir frekansın ışık emisyonu ile birlikte olabilir. Bu radyasyona fotolüminesans denir. Uyarılmış elektronik durumun dönüş konfigürasyonuna bağlı olarak, fotolüminesans floresan ve fosforesans olarak ikiye ayrılır.

Fotolüminesans çizgileri Raman çizgilerinden çok daha yoğundur. Böylece uygun bir dedektör ile donatılmış bir Raman spektrometresi ile Raman spektrumunu ve fotolüminesans spektrumunu aynı noktada sorunsuz bir şekilde aynı anda elde etmek mümkündür.

Bununla birlikte, bazı durumlarda, fotolüminesans spektrumu, istenmeyen bir etki olan Raman spektrumunun üzerine bindirilebilir. Aşağıda, UV (ultraviyole) ve görünür aralıklarda ışıkla ışınlandığında görünür ve IR'ye yakın bölgede güçlü bir şekilde flüoresans yapan renkli bir polimerin koşullu Raman/fotolüminesans spektrumu yer almaktadır. Bu gibi durumlarda, kural olarak, yoğun floresan görünümünden kaçınacak şekilde heyecan verici radyasyonun frekansı seçilmeye çalışılır. Seçeneklerden biri, Raman radyasyonunun uyarılması için yakın IR aralığında radyasyon kaynaklarının kullanılmasıdır.

UV ve görünür aralıklarda ışıkla ışınlandığında görünür ve IR'ye yakın bölgede güçlü bir şekilde flüoresans veren renkli bir polimerin koşullu Raman/fotolüminesans spektrumu. Apsis radyasyon frekansını gösterir

UV ve görünür aralıklarda ışıkla ışınlandığında görünür ve IR'ye yakın bölgede güçlü bir şekilde flüoresans veren renkli bir polimerin koşullu Raman/fotolüminesans spektrumu. Apsis, Raman frekansı ile uyarma frekansı arasındaki farkı gösterir (cm-1 olarak)

Çoğu organik molekülün Raman spektrumu, karbonun (C) diğer elementlerle, genellikle hidrojen (H), oksijen (O) ve nitrojen (N) ile kimyasal bağlarının bükülme ve gerilme titreşimlerine ve ayrıca karakteristik özelliklere karşılık gelen çizgilerden oluşur. çeşitli fonksiyonel grupların titreşimleri (hidroksil -OH, amino grubu -NH2, vb.). Bu çizgiler 600 cm-1 (tek C-C bağlarının germe titreşimleri) ile 3600 cm-1 (hidroksil -OH grubunun titreşimleri) arasında görünür. Ayrıca 250-400 cm-1 aralığındaki organik moleküllerin spektrumlarında alifatik zincirin bükülme titreşimleri ortaya çıkar.

Dipol momentinde bir değişiklikle titreşim geçişlerine karşılık gelen çizgilerin göründüğü IR spektrumunun aksine, Raman spektrumunda molekülün polarize edilebilirliğinde bir değişiklikle titreşim geçişlerine karşılık gelen çizgiler görünür. Bu nedenle, IR ve Raman özel değil, tamamlayıcı spektrometrik yöntemlerdir. Bir noktada Raman ve IR spektrumlarını aynı anda elde etmeyi mümkün kılan Raman spektrometreleri vardır.

Kristal kafeslerin Raman spektrumları, katı hal fiziğinde yarı parçacıklar olarak kabul edilen, kafesin toplu uyarılmış durumları tarafından radyasyonun saçılmasına karşılık gelen çizgiler içerir. En yaygın olanları optik ve akustik fononları, plazmonları ve magnonları içeren Raman-aktif geçişlerdir.

Quasiparticle - belirli bir enerjiye ve bir kural olarak momentuma sahip olan çok parçacıklı bir sistemin bir miktar toplu salınımı veya bozulması. Yarı parçacıklar ve sıradan parçacıklar arasında bir takım benzerlikler ve farklılıklar vardır. Uyumlu alan teorisi gibi birçok alan teorisinde, parçacıklar ve yarı parçacıklar arasında hiçbir ayrım yapılmaz.

Bir fonon, Rus bilim adamı I. Tamm tarafından tanıtılan bir yarı parçacıktır. Bir fonon, kristal atomların bir kuantum titreşim hareketidir. Fonon kavramının katı hal fiziğinde çok verimli olduğu ortaya çıktı. Kristal malzemelerde, atomlar birbirleriyle aktif olarak etkileşime girer ve içlerindeki tek tek atomların titreşimleri gibi termodinamik olayları düşünmek zordur - analitik çözümü imkansız olan trilyonlarca birbirine bağlı doğrusal diferansiyel denklem sistemi elde edilir. Kristal atomlarının salınımlarının yerini, kuantaları fonon olan bir ses dalgaları sisteminin maddesindeki yayılma alır. Fonon dönüşü sıfırdır (h biriminde). Fonon bozonlardan biridir ve Bose-Einstein istatistikleriyle tanımlanır. Fononlar ve elektronlarla etkileşimleri, süperiletkenlerin fiziği hakkındaki modern fikirlerde temel bir rol oynar.

Akustik bir fonon, küçük dalga vektörleri için doğrusal bir dağılım yasası ve birim hücredeki tüm atomların paralel yer değiştirmesi ile karakterize edilir. Böyle bir dağılım yasası, kafesin akustik salınımlarını tanımlar (bu nedenle fonona akustik denir). Akustik fononların enerjisi genellikle düşüktür (1 cm-1 ila 30 cm-1 arasında).

Optik fononlar, yalnızca birim hücresi iki veya daha fazla atom içeren kristallerde bulunur. Bu fononlar, küçük dalga vektörlerinde atomların titreşimleriyle karakterize edilir, öyle ki birim hücrenin ağırlık merkezi hareketsiz kalır. Optik fononların enerjisi genellikle oldukça yüksektir (500 cm-1 düzeyinde) ve zayıf bir şekilde dalga vektörüne bağlıdır.

Plazmon, serbest elektron gazının toplu salınımları olan plazma salınımlarının nicelenmesine karşılık gelen yarı parçacıktır. Plazmonlar metallerin optik özelliklerinde önemli bir rol oynar. Plazma frekansının altındaki ışık yansıtılır çünkü metaldeki elektronlar ışığın elektromanyetik dalgasındaki elektrik alanını korur. Plazma frekansının üzerindeki ışık geçer çünkü elektronlar onu korumaya yetecek kadar hızlı tepki veremez. Çoğu metalde, plazma frekansı, spektrumun ultraviyole bölgesindedir ve bu da onları görünür aralıkta parlak hale getirir. Katkılı yarı iletkenlerde plazma frekansı genellikle ultraviyole bölgesindedir.

Yüzey plazmonları (yüzeylerle sınırlı plazmonlar) ışıkla güçlü bir şekilde etkileşime girerek polaritonların oluşumuna neden olur. Yüzey Raman iyileştirmesinde, Raman saçılmasında (SERS) ve metal kırınımındaki anormallikleri açıklamada rol oynarlar. Yüzey plazmon rezonansı, biyokimyada bir yüzeydeki moleküllerin varlığını tespit etmek için kullanılır.

Magnon, etkileşen spinler sisteminin temel uyarımına karşılık gelen bir yarı parçacıktır. Birkaç manyetik alt örgüye sahip kristallerde (örneğin, antiferromıknatıslar), farklı enerji spektrumlarına sahip birkaç tip magnon olabilir. Magnonlar Bose-Einstein istatistiklerine uyar. Magnonlar birbirleriyle ve diğer kuasipartiküllerle etkileşime girer. Magnonların varlığı, nötronların, elektronların ve ışığın saçılması üzerine yapılan deneylerle, bir magnon'un doğumu veya yok edilmesiyle birlikte doğrulanır.

Magnon kavramı 1930'da Felix Bloch tarafından ferromıknatıslarda kendiliğinden mıknatıslanmadaki azalma olgusunu nicel olarak açıklamak için tanıtıldı. Mutlak sıfır sıcaklığında, bir ferromıknatıs, atomik dönüşlerin (aynı zamanda manyetik momentlerin) aynı yönde hizalandığı en düşük enerji durumuna ulaşır. Sıcaklık arttıkça, spinler genel yönden sapmaya başlar, böylece iç enerji artar ve toplam manyetizasyon azalır. İdeal olarak manyetize edilmiş bir ferromıknatısı bir vakum durumu olarak hayal edersek, ideal düzenin az sayıda ters çevrilmiş spin tarafından ihlal edildiği düşük sıcaklıklardaki durum, bir quasipartikül gazı - magnon olarak temsil edilebilir. Her magnon, doğru hizalanmış dönüşlerin sayısını h ile ve kuantizasyon ekseni boyunca toplam manyetik momenti gh ile azaltır; burada g, gyromanyetik orandır.

2. Kontrol için Raman spektroskopisinin uygulanması

tıbbi, narkotik ve toksik ilaçlar

Işığın Raman saçılımının spektroskopisi yöntemi (Raman spektroskopisi).

Raman spektroskopisi, bir lazer ışınına maruz kaldıktan sonra orijinal (uyarılmamış) enerji durumuna geri döndüklerinde gaz moleküllerinin ışık emisyonunu analiz ederek solunan ve solunan havanın gazlarını tanımlamanıza ve konsantrasyonlarını ölçmenize olanak tanır. Hasta gaz numuneleri, bir argon lazeri ile ışınlandıkları ölçüm odasına girer. Lazer ışınımının bir sonucu olarak, gaz molekülleri uyarılmış bir duruma geçer, ancak ilk (uyarılmamış) duruma ters geçişte, gaz molekülleri zaten daha düşük enerjili ve daha uzun dalga boylu ışık yayar. Bu fenomen fizikte "Raman kayması" olarak bilinir.

Her gaz için "Raman" dalga kayması miktarı spesifiktir ve bu, numunedeki gazların tanımlanmasına olanak tanır (örneğin, hangi inhalasyon anesteziklerinin kullanıldığı). Gaz konsantrasyonu, ikincil radyasyonun yoğunluğundan belirlenir. Kütle spektrometrisinin yanı sıra Raman spektroskopi yöntemi, gaz karışımının tüm bileşenlerinin konsantrasyonunu belirlemenize olanak tanır. Teknolojideki temel farklılıkların varlığına rağmen, kütle spektrometrisi ve Raman spektroskopisinin sonuçları eşit derecede doğrudur. Raman spektroskopisinin avantajları, daha hızlı sonuçlar ve kendi kendine kalibrasyon imkanıdır.

Ana avantajlar

Raman saçılma teknolojisi, titreşimsel moleküler spektroskopiyi ifade eder. Moleküllerde, çekirdeklerin denge konumundan yer değiştirmesi nedeniyle titreşimler ortaya çıkar. Titreşim spektrumları, kızılötesi spektrumlar ve Raman spektrumları (Raman spektrumları) şeklinde kaydedilir.

Raman spektrumu, bir madde ultraviyole veya görünür aralıkta monokromatik ışıkla ışınlandığında ortaya çıkar. Işığın etkisi altında, bir maddenin molekülleri polarize olur ve ışığı saçar. Bu durumda, saçılan ışık, ilk radyasyonun frekansından, molekülün normal titreşimlerinin frekansına karşılık gelen bir miktarda farklılık gösterir. Bu özelliğin bireyselliği, yöntemin yüksek seçiciliğini belirler.

Raman spektrumunun ortaya çıkışı şu şekilde temsil edilebilir: bir miktar gelen radyasyon, zeminde veya uyarılmış titreşim durumunda bulunan bir molekül ile etkileşime girer. Etkileşim esnekse, o zaman molekülün enerji durumu değişmez ve saçılan radyasyonun frekansı, gelen radyasyonun frekansı ile aynı olacaktır (Raman spektrumunun Rayleigh bandı). Elastik olmayan etkileşim durumunda, daha yüksek veya daha düşük bir frekansta olabilen (sırasıyla anti-Stokes ve Stokes bantları) saçılan radyasyonun ortaya çıkması nedeniyle radyasyon kuantumu ve molekül arasında enerji alışverişi yapılır. Böylece Raman spektrumu oluşur.

Raman spektroskopi yöntemi, dikkate alınan molekül veya tüm moleküler yapı ile ilgili olarak benzersiz olan bireysel bir spektral baskı elde etmeyi mümkün kılar.

FT-IR spektroskopisi ile karşılaştırıldığında, Raman spektroskopisinin önemli önemli avantajları vardır:

Sülfürün Raman spektrumu

* Raman spektroskopi yöntemi, IR-Fourier yönteminin aksine suyun yüksek absorpsiyon etkisi onu önemli ölçüde etkilemediği için sulu çözeltilerin analizi için kullanılabilir.

* Yoğunluk spektral çizgilerçözeltide, spesifik bileşiklerin konsantrasyonu ile doğru orantılıdır;

* Raman spektrumu çözelti sıcaklığındaki değişikliklere bağlı değildir;

* Raman spektroskopi yöntemi pratik olarak numune hazırlama, reaktif kullanımı gerektirmez ve cam gibi hücre materyalinden etkilenmez;

* Raman spektrometrelerinin kullanımı, IR-Fourier spektrometrisi için erişilemeyen yüksek çözünürlük ve hassasiyet elde etmenizi sağlar.

Yöntemin özel doğası nedeniyle bu avantajlar, Raman spektrometrisini kimyasal bileşimi analiz etmek ve izlemek için güçlü bir araç haline getirir. Her bileşiğin kendine özgü Raman spektrumu vardır. Kullanılan enstrümantasyona bağlı olarak, bu teknik analiz etmek için kullanılabilir. katılar, çözümler, ayrıca incelenen ortamın kristal kafes, oryantasyon, polimorfik formlar vb. gibi fiziksel özellikleri hakkında bilgi sağlar.

Raman spektrometresi kullanılarak elde edilen bir hücre görüntüsü.

3. Maddeyi incelemek için bir yöntem olarak ışığın Raman saçılması

Raman spektrumları, moleküllerin ve kristallerin doğal titreşim frekanslarını ölçmek için kullanılabilir. Bu, maddelerin tanımlanması ve dış etkilerin etkisi altında onlarda meydana gelen dönüşümlerin incelenmesi için geniş olanaklar açar. Birkaç örnek verelim. Bir ve aynı madde birkaç değişikliğe sahip olabilir, örneğin karbon grafit, elmas, amorf bir faz şeklindedir. Kimyasal veya spektral analizler bu fazlar arasında ayrım yapmayı mümkün kılmaz, ancak onlar için Raman spektrumları farklı olacaktır, çünkü sadece kimyasal bileşim madde değil, aynı zamanda yapısı. RRS'nin yardımıyla, sıvıların kristal erimesi ve kristalizasyonu süreçleri incelenebilir, keşfedilebilir. kimyasal reaksiyonlarçözeltilerde, katıların yüzeyinde ince filmlerin görünümünü sabitleyin ve yapılarını karakterize edin, vb. Sıcaklık, basınç ve diğer dış faktörlerdeki değişiklikler, bazı kristallerin kafesinin simetrisinde bir değişikliğe yol açar (yapısal faz dönüşümleri). Kristal kafesin yeniden düzenlenmesi doğal olarak titreşim spektrumunda bir değişikliğe yol açar ve Raman bu dönüşümleri analiz etmek için ince bir araçtır.

Şekil 1., sonucu Raman spektrumunda (RS) kırmızı ve mor uyduların varlığı olan geçiş şemasını göstermektedir. Kükürt molekülündeki çekirdeklerin doğal titreşim frekansını bulun? 0 ve yarı elastik kuvvet katsayısı, Raman ışık saçılımının titreşim spektrumunda, kaymamış çizgiye en yakın kırmızı ve mor uyduların 346.6 ve 330.0 nm dalga boylarına karşılık geldiği biliniyorsa. RC'nin uyarma dalga boyu nedir? spektrum? Oda sıcaklığında kırmızı ve mor uyduların yoğunluklarının oranı nedir? Titreşimlerin uyumsuzluğunu görmezden gelin.

Yayınlanan http://www.allbest.ru/

Şekil 1. Raman saçılımında Stokes (a) ve anti-Stokes (b) uydularının ortaya çıkış şeması

Şekil 1'de sunulan şemaları analiz ettiğimizde, kırmızı ve mor uyduların frekanslarının, doğal salınım frekansı ile oranlarla ilişkili olduğunu görüyoruz:

nerede? RR'yi uyaran ışığın frekansı. Satırlara - uydulara karşılık gelen dalga sayıları için de benzer ilişkiler olacaktır:

Formüllerden (2) elde edilebilir:

(3)'ten molekülün doğal titreşimlerine karşılık gelen dalga numarasını elde ettiğimizi hesaba katarak:

Hesaplamalardan sonra şunu buluruz:

Bu durumda frekans rad / s'dir.

Yarı elastik kuvvet katsayısı, doğal salınım frekansı ile şu ilişki ile ilişkilidir:

kükürt atomunun kütlesi nerede.

Hesaplamalar sonucunda şunları elde ederiz:

Heyecan verici çizginin dalga numarası formül (2) ile bulunabilir:

Buna dayanarak

Hesaplamalardan sonra şunu elde ederiz:

Şekil 1. kırmızı uydunun, zemin titreşim durumundaki moleküller tarafından ışığın saçılmasının bir sonucu olduğunu ve mor uydunun, uyarılmış moleküller tarafından ışığın saçılmasının bir sonucu olduğunu göstermektedir. Uyduların yoğunluğundaki fark, esas olarak eyaletlerin nüfusundaki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Diğer faktörlerin etkisini hesaba katmazsak, mor ve kırmızı uyduların yoğunluklarının oranı, popülasyonların oranına eşit olacaktır. Bu nedenle, Boltzmann formülünü dikkate alarak şunları elde ederiz:

300 K varsayıldığında, hesaplamalardan sonra şunu buluruz:

Cevap: 338.1; 0.031.

Raman saçılma ışık spektroskopisi tıbbi

Çözüm

AT son yıllar RRS fenomeninin kendisinin özellikleri yoğun bir şekilde incelenmiştir. Araştırmacılar esasen bir dizi yeni fenomene yaklaştılar. Bunlar şunları içerir: 1) heyecan verici radyasyonun frekansı maddenin elektronik absorpsiyon bandına yaklaştıkça etkin saçılma kesitinde keskin bir artıştan oluşan rezonans Raman saçılması; 2) genişlikte keskin bir azalma ve bir veya daha fazla Raman çizgisinin yoğunluğunda, heyecan verici radyasyonun yoğunluğuyla karşılaştırılabilir değerlere bir artıştan oluşan uyarılmış Raman; 3) heyecan verici radyasyonun ikinci optik harmoniğinin frekans bölgesinde Raman uydularının görünümünden oluşan ışığın hiper-Raman saçılması; 4) bazı metallerin pürüzlü yüzeyinde adsorbe edilen bir dizi molekül için etkili saçılma kesitinin 105-106 katına kadar arttırılmasından oluşan dev RS; 5) madde aynı anda iki lazer ışık kaynağı tarafından uyarıldığında saçılma sinyalinin yoğunluğunda ve açısal yönlülüğünde keskin bir artıştan oluşan tutarlı anti-Stokes saçılması. Bütün bu fenomenler, bilimsel ve pratik problemlerin çözümü için yeni olanaklar açar ve şüphesiz gelecekte kullanılacaktır.

çok biri olarak umut verici yönler Son yıllarda geliştirilen sözde Raman mikroskobuna dikkat edelim. Burada, çeşitli Raman çizgilerinin "ışığında" mikro nesnelerin bir görüntüsünü elde etmeyi mümkün kılan yeni tür mikroskoplar yaratma yolunda çalışmalar devam ediyor. Bu durumda, geleneksel bir mikroskopta ya tamamen ayırt edilemeyen ya da çok az ayırt edilebilen mikronesnelerin bu tür ayrıntılarını ayırt etmek mümkündür. Özellikle Raman spektrumundaki farklılıklar yardımıyla "sağlıklı" hücreleri "hasta" hücrelerden ayırt etmek ve hastalığın mikroskobik yapısını saptamak mümkündür; maddelerin ve mikro kusurların izotopik bileşimi hakkında ve ayrıca katılardaki stresler hakkında veri elde etmek için fırsatlar açılır. Kimyasal, biyolojik ve hatta nükleer süreçlerin katalizi için katıların zorlanmış Raman titreşim serbestlik dereceleri sürecinde seçici ısıtma ile ilişkili yön büyük ilgi çekicidir.

Böylece, 20. yüzyılda başlayan Raman ışık saçılımı çalışmaları, akademik laboratuvarlardaki benzersiz deneylerden büyük pratik öneme sahip büyük ölçekli deneylere kadar uzun bir yol kat etti.

bibliyografya

1. Landsberg G.S., Mandelstam L.I. Işık saçılımında yeni bir fenomen

2. V.L. Ginzburg, I.L. Fabelinsky, "Raman Işığın Saçılmasının Keşfi Tarihi Üzerine"

3. Guseva E.V., Orlov R.Yu. Işığın Raman saçılımının spektroskopisi (Raman spektroskopisi). Mineraloji ve malzeme biliminde uygulama

4. Guseva E.V., Melnikov F.P., Orlov R.Yu., Uspenskaya M.E. Gaz-sıvı kapanımlarının analizi için Raman ışık spektroskopisi

5. M. M. Sushchinskii, Moleküllerin ve kristallerin Raman saçılma spektrumları

6. Brandmuller I., Moser G., Raman spektroskopisine giriş

7. Kohlrausch K. "Raman Spektrumu"

Allbest.ru'da barındırılıyor

Benzer Belgeler

Elastik ve esnek olmayan ışık saçılımı, kombinasyon yönteminin teorisi. Tıbbi, narkotik ve toksik ilaçların kontrolünde Raman spektroskopisinin kullanımı. Maddeyi incelemek için bir yöntem olarak ışığın Raman saçılması, başlıca avantajları.

dönem ödevi, 28/10/2011 eklendi


Işığın Raman saçılması kavramı. Bir ışık dalgasının değişken alanı. Işığın Raman saçılmasında kuantum geçişleri. Saçılma spektrumunda ek çizgilerin görünümü. Raman mikroskobunun cihazı, uygulamasının ana alanları.

özet, eklendi 01/08/2014


Ultrananokristalin elmas filmlerin Raman saçılma yöntemleriyle incelenmesi. Güç etkisi Lazer radyasyonu spektrumların bilgi içeriği hakkında. Elektronikte kullanım için yeni bir nanomalzeme olarak UNCD filmlerinin beklentileri.

dönem ödevi, eklendi 01/30/2014


Genel bilgi Radyasyonun madde ile etkileşimi üzerine. Raman spektrometresinin özellikleri. Stronsiyum borat cam spektrumunun düşük frekanslı kısmının analizi. Elde edilen deneysel spektrumların kalitelerini iyileştirmek için işlenmesi.

dönem ödevi, eklendi 12/03/2012


Tek bir parçacık tarafından saçılmanın fiziksel mekanizması. Dağınık dalgaların karşılıklı olarak büyütülmesi veya bastırılması. Işığın çoklu saçılması. Bir parçacık kümesi tarafından saçılmanın toplam yoğunluğu. Saçılma sırasında ışığın polarizasyonu. Polarize ışık kullanımı.

dönem ödevi, eklendi 06/05/2015


Işık yoğunluğunun spektral ölçümleri. Gazyağı içindeki kobalt ferrit ve manyetitin manyetik kolloidlerinde ışık saçılımının araştırılması. Elektrik ve manyetik alanlar kapatıldıktan sonra zamanla saçılan ışığın yoğunluğundaki azalma eğrileri.

makale, 19/03/2007 eklendi


Fiziğin temel görevlerinden biri olarak maddenin yapısını belirlemek. Sıvılarda moleküler ışık saçılımı yöntemini kullanma. Sıvılardaki dalgalanmaların ömrü. Gerçek fiziksel sistemlerde dağılım konturunun kanadını kesen mekanizma.

özet, eklendi 06/22/2015


Gökyüzünün mavi renginin nedenini bulma tarihi: eski Yunanlıların teorisi; Goethe ve Newton'un hipotezleri. Gezegenin gaz halindeki kabuğunun termal titreşimleri tarafından saçılan Rayleigh teorisinin yanlışlığı. Işığın moleküler saçılması: Smoluchowski'nin opaklık teorisi.

özet, 23/09/2012 eklendi


Çarpışma süreçlerinin incelenmesi ve saçılma teorisinin geliştirilmesi. Bir çarpışmadan sonra molekülün orijinal durumunda kaldığı elastik saçılma. Fourier ilişkisini kullanarak gelen elektronun koordinatları üzerinden integralin hesaplanması.

tez, 19/05/2014 eklendi


Compton saçılmasının kuantum teorisi. Geri tepme elektronunun hareket yönü. Hafif basınç. Hidrojen atomunun spektrumundaki seri düzenlilikler. Thomson, Rutherford modeli. Bohr'un varsayımları. De Broglie'nin hipotezi. Kuantum mekaniği teorisinin unsurları.

Raman (Raman) ışığın saçılması. Saçılmanın fiziksel mekanizması. Temel denklemler ve parametreler.

Raman (Raman) ışığın saçılması.

Bu derste, belki de en önemli doğrusal olmayan dalga süreçlerinden biri olan uyarılmış Raman saçılmasının (SRS) etkilerinin analizine dönüyoruz. Kendiliğinden Raman (Raman) saçılmasının (RS) özü aşağıdaki gibidir. Yarı monokromatik radyasyon homojen bir ortamdan geçtiğinde, saçılan radyasyon spektrumunda ortak olan ω s frekanslarında spektral bileşenler görünür.

pompa radyasyon frekansının ω n ve ortamın doğal salınımlarının frekansının binasyonu ω 0 :

Burada n bir tamsayıdır. Bu durumda, saçılan radyasyon pratik olarak izotropiktir ve yoğunluğu, pompa yoğunluğunun 10–6 –10–8 mertebesindedir. Şu anda, bu fenomen, sıvıların ve gazların karışımlarının kalitatif ve kantitatif analizi için yaygın olarak kullanılmaktadır, çünkü birinin, ω s , i frekanslarındaki yoğunlukların oranına göre kompozisyonu yargılamasına izin verir.

karşılık gelen frekanslara sahip i moleküler bileşenleri içeren bir karışım ω 0, i .

(Stokes bileşenleri) ve bu bileşenlerin yoğunluğu pompa yoğunluğu ile karşılaştırılabilir. Ek olarak, eksene dik bir pompa ışını gözlendiğinde, ekranda bir dizi halka gözlendi. Bu durumda, halkalar ω a = ω n + n ω 0 koşulunu sağlayan spektral bileşenler içeriyordu.

(anti-Stokes bileşenleri). Bu fenomene uyarılmış Raman saçılması (SRS) denir.

Saçılmanın fiziksel mekanizması.

Bu fenomenin fiziği, ışığın Placzek tarafından önerilen moleküllerle etkileşiminin basit klasik modeli kullanılarak açıklanabilir. Raman saçılmasının etkisi, α molekülünün elektronik polarize edilebilirliğinin, q molekülündeki çekirdeklerin koordinatları tarafından verilen nükleer konfigürasyona bağımlılığı ile ilişkilidir:

∂ α ∂ q q = 0 olan terim, ışığın moleküler titreşimlerle modülasyonunu tanımlar;

bu durumda, molekülün polarizasyon spektrumunda nükleer titreşimlerin ω 0 frekansıyla kaydırılan yeni frekans bileşenleri ortaya çıkar:

q molekülündeki çekirdeklerin koordinatlarının yer değiştirmesinin ortamdaki termal hareketlerle belirlendiği koşullar altında, denklem (15.3) kendiliğinden Raman saçılımını tanımlar. Gelen ışık alanının frekansı ω n ise ve

moleküler titreşimler, (15.1) nedeniyle ortalama ω 0 frekansında meydana gelir, ardından Stokes (ω c = ω n − ω 0 ) ve anti-Stokes (ω a = ω n + ω 0) bileşenleri, ışık alanı tarafından saçılan ışık alanında görünür. molekül.

Kendiliğinden Raman saçılması oldukça basit bir kuantum yorumuna sahiptir (Şekil 15.2). Işık radyasyonu bir ortamdan geçtiğinde, pompalama frekansı ω n olan bir ışık kuantumunun aynı anda bir ışık kuantumu emisyonu ile emildiği iki fotonlu bir süreç mümkündür.

Stokes bileşeninin frekansında ω s ve molekül uyarılmış bir duruma girer

şart. Işığın uyarılmış bir durumda bir molekül ile etkileşime girmesi durumunda, o zaman iki fotonlu bir süreç de meydana gelir, burada ω n frekansında bir kuantum kaybolur, ω a frekansında bir kuantum yayılır ve molekül olmaz

taban durumuna geçer.

DERS No. 15. UYUMLU RAMAN SAÇILMASI

ωn

Bu nedenle, α 0 "≠ 0'da, ışık alanında moleküler titreşimlere etki eden bir kuvvet ortaya çıkar:

Alan, frekansları ω 1 ve ω 2 olan iki spektral bileşen içeriyorsa, bu kuvvet, bunların rezonans oluşumuna yol açabilir.

ω 1 − ω 2 ≈ ω 0 yaklaşık olarak moleküler titreşimlerin frekansına eşittir. Bunların içinden

koşullar, bir dalgalanma karakterine sahip olan kaotik molekül içi salınımlar, fazları ışık alanlarının fazları tarafından belirlenen düzenli zorunlu salınımlar tarafından üst üste bindirilir.

Uyarılmış Raman saçılması, molekül içi titreşimlerin optik uyarımı nedeniyle oluşan bir süreçtir; rezonans ikilisi, güçlü bir lazer dalgasının Stokes saçılması nedeniyle ortaya çıkar

DERS No. 15. UYUMLU RAMAN SAÇILMASI

(pompa dalgaları). Molekül içi titreşimler ışık tarafından uyarılırsa, saçılma modeli de niteliksel olarak değişir. Kendiliğinden saçılmada saçılan ışık bileşenlerinin zayıf büyümesi, uyarılmış saçılmada saçılan bileşenlerin kararsız üstel büyümesi ile değiştirilir. Doğrusal olmayan optikte bu durum verimli frekans dönüşümü için kullanılır.

Temel denklemler ve parametreler.

SRS sürecini açıklayan basit bir teorik model sunalım. (15.5 ) bağıntısını kullanarak, moleküler titreşimler için denklemi (popülasyon farkındaki değişikliklerin etkilerini ihmal ediyoruz) şu şekilde yazıyoruz.

(15.6), alanın moleküler titreşimler üzerindeki etkisini açıklar. Buna karşılık, salınımlar q, P nl = N α "q E ortamında doğrusal olmayan bir polarizasyon yaratır ve böylece

bu nedenle, denklem tarafından ifade edilen alan üzerinde ters bir etkiye sahiptir.

kendiliğinden Raman saçılmasının çizgi genişliği ve genellikle ifade edilir

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

Tek renkliye yakın dalgaların etkileşimini göz önünde bulundurarak, q'yu (15,7 )–(15,8 )'e benzer bir biçimde yazarız:

Daha sonra durağan durumda, ω 0 = ω n − ω s için (15.7) - (15.8) dikkate alınarak denklemin (15.6) çözümü (15.11) forma sahiptir.

2 µmc

Burada, moleküler uyarılmaların dalga vektörünün k 0'ın pompalama dalga vektörleri tarafından belirlendiğini not ediyoruz k n ve Stokes radyasyonu k s: k 0 = k n – k s ve her molekülün titreşimleri bağımsız olarak meydana geldiğinden, "hayali" bir dalga vektörüdür, ve bu titreşimlerin fazı, ortamın dağılımına bağlı olan faz farkı pompası ve Stokes bileşenleri tarafından belirlenir. Ve ve n ve Q uzayda nispeten yavaş değişen genlikleri göz önünde bulundurarak, denklem (15.9)'dan, yavaş değişen bir genlik için aşağıdaki biçimde bir kesik denklemler sistemi elde ederiz:

Bu denklemlerin parametreleri şunlardır: gevşeme süresi T, etkileşen dalgaların frekansları ve ortamın optik doğrusal olmayanlığını belirleyen sabit.

A n güçlü ve verilen göz önüne alındığında, denklem (15.12) ile A için şeklinde bir çözüm elde ederiz.

Burada A 0 s, termal ve çok zayıf bir radyasyon olan ortamın girişindeki Stokes bileşeninin genliğidir; g \u003d g" A n 2.

Dolayısıyla, Stokes bileşeninin genliğinin, pompa demetinin yayılması boyunca üssel olarak büyüdüğünü görüyoruz. Moleküler titreşimlerin genliği de mesafe ile üssel olarak büyür, bu da kuantum dilinde moleküllerin uyarılmış durumunun popülasyonunda bir artış anlamına gelir. İkincisi ayrıca Stokes karşıtı bileşende bir artışa yol açmalıdır. özellikleri bu süreç aşağıda tartışılacaktır.

Böylece klasik Placzek modeli kullanılarak Stokes bileşeninin alanının pompa kirişi yönü boyunca üstel olarak büyüyebileceği gösterilmiştir.

Işığın Raman saçılması, gelen ve yeniden yayılan (saçılan) dalgaların frekanslarının, maddedeki doğal titreşimlerin frekansları ile birbirinden farklı olduğu ışık dalgalarının saçılması (elektronik, titreşimsel ve dönme enerji seviyeleri arasındaki kuantum geçişlerinin frekansları). atomlar ve moleküller, kristallerdeki optik fononların frekansları vb.).

Işığın Raman saçılmasının etkisi Avusturyalı fizikçi A. Smekal tarafından 1923'te tahmin edildi; G. S. Landsberg ve L. I. Mandelstam tarafından 1928'de kristallerde ışığın saçılması sırasında keşfedildi. Aynı zamanda, sıvılarda ışığın Raman saçılması C. V. Raman ve Hintli fizikçi K. S. Krishnan tarafından kaydedildi.

Işığın Raman saçılmasının klasik resmi, moleküler titreşimler örneği kullanılarak düşünülebilir. dalgalanmalar atom çekirdeğiΩ frekansına sahip bir molekülde, molekülün polarize edilebilirliğini modüle eder, bu da ortamın geçirgenliğinde karşılık gelen bir değişikliğe yol açar. Modüle edilmiş bir ortamdan geçen ω 0 frekanslı bir ışık dalgasının genliği geçirgenlik, frekans Ω ile modüle edilir. Bu, ana bileşene ek olarak, dalga spektrumunda ω s = ω 0 -Ω ve ω a = ω 0 + Ω frekanslarına sahip “yanal” çizgilerin göründüğü anlamına gelir. Düşük frekans çizgisi (ω s) genellikle Raman saçılımının Stokes bileşeni olarak adlandırılır ve yüksek frekans çizgisi (ω a) anti-Stokes bileşeni olarak adlandırılır.

Işığın Raman saçılmasının benzer bir yorumu aynı zamanda elastik titreşimler için de geçerlidir. katılar, moleküllerin dönme hareketi için, elektronların atom içi (moleküller arası) hareketi için vb.

Göre kuantum teorisi Işığın Raman saçılması, iki fotonlu bir süreçtir (bkz. elektromanyetik alan bir kuantum sistemiyle (atom, molekül, vb.) ω 0 frekanslı gelen radyasyonun bir fotonu emilir ve ω frekanslı saçılan radyasyonun bir fotonu yayılır. Bu durumda kuantum sistemi, E i enerjisiyle ilk durumdan E f enerjisiyle son duruma geçer. Enerjinin korunumu yasasına göre, saçılan radyasyonun frekansı ћω = ћω 0 - ћω fi eşitliği ile belirlenir, burada ω fi = (E f - E i)/ћ kuantum geçiş frekansıdır, ћ Planck'ın devamlı. Kuantum sistemi başlangıçta daha düşük bir enerji durumundaysa, 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 (Şekil 1b), o zaman saçılan ışığın frekansı daha yüksektir: ω = ω a = ω 0 + Ω (Stokes önleyici bileşen). Böylece, ω, gelen radyasyonun frekansı ile maddenin doğal frekanslarının bir birleşimidir: dolayısıyla etkinin adı. Ayrıca yaygındır (özellikle yabancı edebiyat) adı Raman saçılması veya Raman etkisi.

Saçılan radyasyon fotonları, ω frekansında radyasyon tarafından indüklenen kendiliğinden kuantum geçişlerinin veya geçişlerin bir sonucu olarak yayılabilir (bkz. Uyarılmış Emisyon). İlk durumda, ışığın kendiliğinden Raman saçılması denilen şeyden, ikinci durumda - uyarılmış Raman saçılmasından bahsediyoruz (bkz. Uyarılmış ışık saçılması). Kendiliğinden saçılma sırasında, radyasyon her yönde meydana gelir ve bireysel foton emisyonu eylemleri birbiriyle ilişkili değildir. Bu nedenle, saçılan radyasyon tutarsız olduğu ortaya çıkıyor. Yoğunluğu, gelen radyasyonun yoğunluğu ve başlangıç ​​seviyesindeki kuantum sistemlerinin (atomlar, moleküller) sayısının yoğunluğu ile orantılıdır. Normal nüfus koşullarında kuantum seviyeleri Artan enerji ile hızla azalır, başlangıç ​​seviyesinin uyarıldığı anti-Stokes bileşenlerinin yoğunluğu, kural olarak, Stokes saçılma çizgilerinin yoğunluğundan önemli ölçüde daha azdır.

Işığın kendiliğinden Raman saçılımının spektrumlarını elde etmek için, yoğun monokromatik radyasyon kaynaklarının kullanılması gerekir. Bu nedenle, cıva lambaları uzun süre kullanıldı. 1960'lardan beri lazerler, heyecan verici radyasyonun ana kaynakları olmuştur.

Işığın spontan Raman saçılımı genellikle uyarıcı ışık huzmesine dik yönde kaydedilir. Bu durumda, spektrum, gelen radyasyonun Rayleigh saçılması (bkz. Işık Saçılımı) nedeniyle frekansı ω 0 olan bir merkezi hat ve Stokes (düşük frekans) ve anti-Stokes bölgelerindeki bir dizi uydu hattı içerir. Çizgiler arasındaki frekans aralıklarının ölçülmesi, bir maddenin enerji spektrumunun yapısı hakkında bilgi sağlar ve spektral çizgilerin genişliği ve şekli, maddedeki gevşeme süreçlerini yargılamayı mümkün kılar.

Raman saçılması iki fotonlu bir süreç olduğundan, rezonant ışık absorpsiyonundan ve lüminesanstan sorumlu tek fotonlu süreçlerinkinden farklı seçim kurallarına uyar. Bu nedenle, Raman spektrumları genellikle absorpsiyon ve lüminesans spektrumlarında bulunmayan kuantum geçişleri sergiler. Işığın Raman saçılması, optik radyasyon kullanarak, frekansları uzak kızılötesi bölgede ve hatta radyo aralığında bulunan temel uyarımları incelemeyi mümkün kılar.

Uyarılmış Raman saçılması (SRS), gelen radyasyonun (pompa) yüksek yoğunluğunda kendini gösterir. Bu durumda, saçılan fotonların yoğunluğu o kadar önemli hale gelir ki, yeni fotonların üretimine baskın katkı, uyarılmış emisyon süreçlerinden gelir. Sonuç olarak, temel saçılma olayları arasında korelasyonlar ortaya çıkar. farklı noktalar orta ve saçılan radyasyon tutarlı hale gelir.

SRS sırasında, iki fotonlu işlemlere ek olarak, Stokes'un aynı anda ortaya çıkmasından sorumlu olan 2ω 0 - ω s - ω a = 0 (Şekil 2) frekanslarına sahip dört fotonlu parametrik işlemler önemli bir rol oynar. ve anti-Stokes bileşenleri. Dalgaların faz uyumu parametrik işlemler sırasında gerçekleştiğinden, anti-Stokes bileşeni SRS sırasında sadece pompa yayılımı yönünde gözlenir. Aynı zamanda, Stokes bileşeninin verimli bir şekilde üretilmesi hem doğrudan hem de ters yön. SRS, lazer radyasyonunun frekans dönüşümü için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Işığın kendiliğinden Raman saçılımının spektroskopisi, moleküllerin yapısını ve moleküllerle etkileşim süreçlerini incelemek için etkili bir yöntemdir. çevre. Işığın Raman saçılması yöntemleri, katılardaki yarı partikülleri, nano yapılı oluşumların yapısını ve bunlardaki süreçleri incelemek için de kullanılır. Işığın Raman saçılması, kimyasal araştırmalarda yaygın olarak kullanılan spektral analizde kullanılır. Her kimyasal bileşiğin kendine özgü Raman spektrumu vardır, buna dayanarak bu bileşiğin tanımlanması ve bir karışımda saptanması mümkündür (bkz. Spektral analiz). Raman spektrumundaki bazı çizgilerin parametreleri farklı şekillerde korunur. kimyasal bileşikler aynı yapısal elemanı içeren, örneğin C=C, C-H, vb. yapısal Analiz Yapısı bilinmeyen moleküller.

Uyarılmış Raman ışık saçılımı, madde üzerinde yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip çalışmalar yapmayı mümkün kılan bir dizi doğrusal olmayan spektroskopi yönteminin temeli haline geldi.

Yanan: Sushchinsky M. M. Raman kristal moleküllerin saçılma spektrumları. M., 1969; o öyle. Işığın Raman saçılması ve maddenin yapısı. M., 1981; Doğrusal olmayan optiğin Shen IR İlkeleri. M., 1989.