monoxromatik yorug'lik namunadagi hodisa aks etishi, so'rilishi yoki tarqalishi mumkin. Yorug'likning tarqalish jarayoni elastik (ya'ni yorug'lik va materiya o'rtasida energiya almashinuvisiz sodir bo'lishi mumkin) va noelastik (ya'ni yorug'lik va materiya o'rtasida energiyaning qayta taqsimlanishi sodir bo'lishi mumkin) bo'lishi kerak.
Yorug'likning elastik tarqalishi Rayleigh deb ataladi. U ustunlik qiladi: o'rtacha o'n milliondan faqat bitta foton elastik bo'lmagan tarzda tarqaladi. Rayleigh tarqalishida tarqalgan yorug'likning chastotasi tushayotgan yorug'lik chastotasiga to'liq tengdir.
Noelastik yorug'lik tarqalishi Raman tarqalishi (RS) yoki Raman deb ataladi. Ramanning tarqalishida yorug'lik va materiya energiya almashadi. Natijada, tarqaladigan yorug'lik chastotasi kamayishi (energiya yorug'likdan materiyaga o'tkazilganda - bu Stokesning tarqalishi) yoki ortishi mumkin (bu holda energiya materiyadan yorug'likka o'tadi - bu Anti-Stokes tarqalishidir. ).
Tarqalishni fotonning yutilishi va emissiyasining juda tez jarayoni sifatida ko'rish mumkin. Fotonning bunday yutilishi bilan, agar foton energiyasi bu jarayon uchun etarli bo'lmasa, molekula barqaror qo'zg'aluvchan elektron holatga o'tmaydi. U beqaror hayajonlangan holatga o'tadi, undan juda qisqa vaqt o'tgach, foton chiqaradi.
Rayleigh tarqalishida molekula nol tebranish darajasidan fotonni yutadi va emissiyadan keyin unga o'tadi. Stokes tarqalishida molekula nol tebranish darajasidan fotonni yutadi, lekin emissiyadan keyin u birinchisiga o'tadi va foton energiyasining bir qismini o'zlashtiradi. Aksincha, Anti-Stokesning tarqalishi paytida molekula birinchi tebranish darajasidan fotonni yutadi va emissiyadan keyin u nolga o'tadi va energiyaning bir qismini chiqarilgan fotonga beradi.
Issiqlik muvozanati sharoitida tebranish darajasidagi populyatsiya Boltsman taqsimotiga bo'ysunadi, ya'ni populyatsiya yuqori darajalar eksponent ravishda kamayadi. Shunga ko'ra, birinchi daraja nolga qaraganda ancha kamroq darajada to'ldirilgan, bu esa Stokes chiziqlari intensivligi bilan solishtirganda Raman spektridagi Anti-Stokes chiziqlarining ancha past intensivligiga olib keladi.
Qoidaga ko'ra, Raman spektri aniqroq uning kuchliroq, Stokes qismi sifatida tushuniladi. Rayleigh tarqalishining chastotasi (ya'ni nurlanish manbasining chastotasi) "nol" sifatida qabul qilinadi va spektrdagi chiziqning chastotasi Stokes chizig'ining chastotasini Rayleigh nurlanishining chastotasidan ayirish yo'li bilan hisoblanadi.
Umumiy holatda yorug'likning tarqalish jarayoni uning yutilish jarayoni bilan raqobatlashadi. Radiatsiya so'rilsa, molekula eng past qo'zg'aluvchan elektron holatga o'tadi. Asosiy holatga teskari o'tish butunlay radiatsiyaviy bo'lmasligi yoki past chastotali yorug'lik chiqishi bilan birga bo'lishi mumkin. Bu nurlanish fotoluminesans deb ataladi. Qo'zg'atilgan elektron holatning spin konfiguratsiyasiga qarab, fotoluminesans floresans va fosforessensiyaga bo'linadi.
Fotoluminesans chiziqlari Raman chiziqlariga qaraganda ancha kuchliroqdir. Shunday qilib, mos detektor bilan jihozlangan Raman spektrometri bilan bir vaqtning o'zida hech qanday muammosiz Raman spektrini va fotoluminesans spektrini bir nuqtada olish mumkin.
Biroq, ba'zi hollarda, fotoluminesans spektri Raman spektriga qo'shilishi mumkin, bu esa istalmagan effektdir. Quyida rangli polimerning shartli Raman/fotoluminesans spektri keltirilgan bo'lib, u ultrabinafsha nurlar va ultrabinafsha nurlar bilan nurlanganda ko'rinadigan va yaqin infraqizil hududlarda kuchli lyuminestsentlanadi. ko'rinadigan diapazonlar. Bunday hollarda, qoida tariqasida, qizg'in lyuminestsent paydo bo'lishining oldini olish uchun hayajonli nurlanish chastotasini tanlashga harakat qilinadi. Variantlardan biri - Raman nurlanishini qo'zg'atish uchun IQ diapazonidagi nurlanish manbalaridan foydalanish.

Ko'pgina organik molekulalarning Raman spektri egilish va cho'zilish tebranishlariga mos keladigan chiziqlardan iborat. kimyoviy bog'lanishlar uglerod (C) boshqa elementlar bilan, odatda vodorod (H), kislorod (O) va azot (N), shuningdek, turli funktsional guruhlarning xarakterli tebranishlari (gidroksil -OH, amino guruhi -NH2 va boshqalar). Bu chiziqlar 600 sm dan 1 gacha (yagona tebranishlarning cho'zilishi) oraliqda paydo bo'ladi C-C rishtalari) 3600 sm-1 gacha (gidroksil -OH guruhining tebranishlari). Bundan tashqari, 250-400 sm-1 oralig'idagi organik molekulalarning spektrlarida alifatik zanjirning egilish tebranishlari paydo bo'ladi.
Dipol momentining o'zgarishi bilan tebranish o'tishlariga mos keladigan chiziqlar paydo bo'ladigan IR spektridan farqli o'laroq, Raman spektrida molekulaning qutblanish qobiliyatining o'zgarishi bilan tebranish o'tishlariga mos keladigan chiziqlar paydo bo'ladi. Shunday qilib, IC va CR eksklyuziv emas, balki bir-birini to'ldiradi. spektrometrik usullar. Raman spektrometrlari mavjud bo'lib, ular bir vaqtning o'zida Raman va IQ spektrlarini bir nuqtada olish imkonini beradi (LAbRAM ARAMIS IR2).
Kristal panjaralarning Raman spektrlari qattiq jismlar fizikasida kvazizarralar sifatida qaraladigan panjaraning kollektiv qo'zg'aluvchan holatlari tomonidan nurlanishning tarqalishiga mos keladigan chiziqlarni o'z ichiga oladi. Eng keng tarqalgani optik va akustik fononlar, plazmonlar va magnonlarni o'z ichiga olgan Raman-faol o'tishlardir.

Kvazizarra - ma'lum energiyaga va qoida tariqasida impulsga ega bo'lgan ko'p zarrachali tizimning kollektiv tebranish yoki tebranish kvanti. Kvazizarralar va oddiy zarralar o'rtasida bir qator o'xshashlik va farqlar mavjud. Ko'pgina dala nazariyalarida, masalan, konformal maydon nazariyasida zarralar va kvazizarralar o'rtasida umuman farqlanmaydi. (Vikipediya)
Fonon - rus olimi I. Tamm tomonidan kiritilgan kvazizarra. Fonon - bu kvant tebranish harakati kristall atomlari. Fonon tushunchasi qattiq jismlar fizikasida juda samarali bo'lib chiqdi. Kristalli materiallarda atomlar bir-biri bilan faol o'zaro ta'sir qiladi va ulardagi alohida atomlarning tebranishlari kabi termodinamik hodisalarni ko'rib chiqish qiyin - trillionlab o'zaro bog'langan chiziqli tizimlardan ulkan tizimlar olinadi. differensial tenglamalar, buni analitik hal qilib bo'lmaydi. Kristal atomlarining tebranishlari tizimning moddada tarqalishi bilan almashtiriladi tovush to'lqinlari, ularning kvantlari fononlar. Fonon spini nolga teng (h birliklarida). Fonon bozonlardan biridir va Bose-Eynshteyn statistikasi bilan tavsiflanadi. Fononlar va ularning elektronlar bilan o'zaro ta'siri o'ta o'tkazgichlar fizikasi haqidagi zamonaviy g'oyalarda asosiy rol o'ynaydi. (Vikipediya)
Akustik fonon kichik to'lqin vektorlari uchun chiziqli dispersiya qonuni va birlik hujayradagi barcha atomlarning parallel siljishi bilan tavsiflanadi. Bunday dispersiya qonuni panjaraning akustik tebranishlarini tavsiflaydi (shuning uchun fonon akustik deb ataladi). (Vikipediya) Akustik fononlarning energiyasi odatda past (1 sm-1 dan 30 sm-1 gacha).
Optik fononlar faqat birlik hujayrasi ikki yoki undan ortiq atomdan iborat bo'lgan kristallarda mavjud. Ushbu fononlar kichik to'lqin vektorlarida atomlarning tebranishlari bilan tavsiflanadi, shunda birlik hujayraning og'irlik markazi harakatsiz qoladi. Optik fononlarning energiyasi odatda ancha yuqori (500 sm-1 tartibida) va kuchsiz ravishda to'lqin vektoriga bog'liq. (Vikipediya)
Plazmon - erkin elektron gazning kollektiv tebranishlari bo'lgan plazma tebranishlarining kvantlanishiga mos keladigan kvazizarra. Plazmonlar metallarning optik xususiyatlarida muhim rol o'ynaydi. Plazma chastotasi ostidagi yorug'lik aks etadi, chunki metalldagi elektronlar yorug'likning elektromagnit to'lqinidagi elektr maydonini himoya qiladi. Plazma chastotasidan yuqori yorug'lik o'tadi, chunki elektronlar uni himoya qilish uchun etarlicha tez javob bera olmaydi. Ko'pgina metallarda plazma chastotasi spektrning ultrabinafsha mintaqasida bo'lib, ularni ko'rinadigan diapazonda porloq qiladi. Doplangan yarimo'tkazgichlarda plazma chastotasi odatda ultrabinafsha mintaqada bo'ladi. (Vikipediya)
Yuzaki plazmonlar (sirtlarda chegaralangan plazmonlar) yorug'lik bilan kuchli ta'sir o'tkazadi, natijada qutblar hosil bo'ladi. Ular RS ning sirtini yaxshilashda rol o'ynaydi, Ramanning tarqalishi yorug'lik (SERS) va metallarning difraksiyasidagi anomaliyalarni tushuntirishda. Yuzaki plazmon rezonansi biokimyoda sirtda molekulalar mavjudligini aniqlash uchun ishlatiladi. (Vikipediya)
Magnon - bu o'zaro ta'sir qiluvchi spinlar tizimining elementar qo'zg'alishiga mos keladigan kvazizarra. Bir nechta magnit pastki panjarali kristallarda (masalan, antiferromagnitlar) har xil energiya spektriga ega bo'lgan magnonlarning bir nechta turlari bo'lishi mumkin. Magnonlar Bose-Eynshteyn statistikasiga bo'ysunadilar. Magnonlar bir-biri bilan va boshqa kvazizarralar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Magnonlarning mavjudligi magnonning tug'ilishi yoki yo'q bo'lib ketishi bilan birga neytronlar, elektronlar va yorug'likning tarqalishi bo'yicha tajribalar bilan tasdiqlangan.
Magnon kontseptsiyasi 1930 yilda Feliks Bloch tomonidan ferromagnitlarda o'z-o'zidan magnitlanishning kamayishi hodisasini miqdoriy jihatdan tushuntirish uchun kiritilgan. Bir haroratda mutlaq nol ferromagnit eng past energiya holatiga etadi, bunda atom spinlari (shuningdek, magnit momentlari) bir yo'nalishda tekislanadi. Harorat ko'tarilgach, spinlar umumiy yo'nalishdan chetga chiqa boshlaydi va shu bilan ortadi ichki energiya va umumiy magnitlanishni kamaytirish. Agar ideal magnitlangan ferromagnitni vakuum holati sifatida tasavvur qilsak, u holda ideal tartib kam sonli teskari spinlar bilan buziladigan past haroratdagi holat kvazizarrachalar - magnonlar gazi sifatida ifodalanishi mumkin. Har bir magnon to'g'ri tekislangan spinlar sonini h ga va kvantlash o'qi bo'ylab umumiy magnit momentni gh ga kamaytiradi, bu erda g - giromagnit nisbat. (Vikipediya)

Yaxshi ishingizni bilimlar bazasiga yuborish oddiy. Quyidagi shakldan foydalaning

Talabalar, aspirantlar, bilimlar bazasidan o‘z o‘qishlarida va ishlarida foydalanayotgan yosh olimlar sizdan juda minnatdor bo‘lishadi.

E'lon qilingan http://www.allbest.ru/

Belarus Respublikasi Ta'lim vazirligi

Belarusiya davlati Pedagogika universiteti Maksim Tank nomi bilan atalgan

KURS ISHI

Mavzu bo'yicha: "Raman spektroskopiyasining tibbiyotda qo'llanilishi"

Rahbar: Maskevich Sergey Aleksandrovich

Kirish

2. Dori vositalari, giyohvandlik va toksik preparatlarni nazorat qilish uchun Raman spektroskopiyasini qo'llash

Xulosa

Adabiyotlar ro'yxati

Kirish

To'lqinlar moddiy muhitda tarqalganda, eng oddiy holat to'lqinlar o'rtasida hech qanday o'zaro ta'sirning yo'qligiga to'g'ri keladi. Bunday holda, to'lqinlar mos keladigan tebranish jarayonlarining chastotasi, amplitudasi va fazalarida hech qanday o'zgarishsiz bir-biridan o'tib ketadi.

O'zaro ta'sir qiluvchi to'lqinlar uchun yanada murakkab rasm amalga oshiriladi. Xususan, bunday to'lqinlar uchun past chastotali yuqori chastotali tebranishlarning amplitudali modulyatsiyasi jarayoni amalga oshirilishi mumkin. Modulyatsiya natijasida yuqori (w0) va past (W) chastotali dastlabki to'lqinlar bilan bir qatorda w0 - W va w0 + W chastotali kombinatsiyalangan to'lqinlar paydo bo'ladi. radiotelegraf kech XIX asrlar. Bunday holda, radio to'lqin tashuvchisi yuqori chastotali to'lqin bo'lib xizmat qildi va past chastotali to'lqinlar tovush diapazoniga mos keldi va uzatish uchun zarur bo'lgan ma'lumotlarni ifodalaydi.

Ma'lumki, birinchi marta radio diapazonidagi (w0 ~ 1011 Gts) elektromagnit to'lqinlarning past chastotali Morze kodi signallari bilan modulyatsiyasiga asoslangan simsiz telegraf 1895 yilda A.S. tajribalarida amalga oshirilgan. Popov. Shunga o'xshash tadqiqotlar bir vaqtning o'zida G'arbda F. Braun va T. Markoni tomonidan amalga oshirildi. 1909 yilda ular simsiz telegraf yaratish uchun Nobel mukofotiga sazovor bo'lishdi.

F. Braun Strasburg universitetining fizika kafedrasi professori edi, o'shanda 1899 yilda L.I. Mandelstam. Tadqiqot ob'ekti L.I. Mandelstam qattiq jismlardagi akustik to'lqinlar edi. Ma'lum bo'lishicha, bunday to'lqinlar tashqi tovush signallari bo'lmagan taqdirda ham moddiy muhitda mavjud. Shu munosabat bilan L.I. Mandelstam 1926 yilda qattiq jismlardagi yorug'lik to'lqinlarini termal (akustik) to'lqinlar bilan modulyatsiya qilish masalasini ko'rib chiqqan maqolasini nashr etdi.

Kondensatsiyalangan muhitda yorug'likning tarqalishini o'rganish bo'yicha tajribalar 1926 yilda Moskvada G.S. Landsberg va L.I. Mandelstam. Tadqiqot ob'ektlaridan biri kristalli kvarts bo'lib, hayajonli nurlanish manbai sifatida simob chiroqning qizg'in chiziqlari ishlatilgan, ular assimilyatsiya filtrlari yordamida gaz oqimi spektridan ajratilgan. Ushbu tajribalar natijasida aniqlanganki, haqiqatda tarqalgan yorug'lik spektrida zaif nurlanish mavjud bo'lib, uning chastotasi birlamchi, hayajonli nurlanish chastotasiga nisbatan siljiydi. Ma'lum bo'lishicha, spektrda w0 - Wj (Stokes sun'iy yo'ldoshi) va w0 + Wj (anti-Stokes sun'iy yo'ldoshi) chastotalari bilan hayajonli nurlanishning w0 chastotasiga nisbatan simmetrik bo'lgan bir nechta sun'iy yo'ldoshlar mavjud. Bundan tashqari, qo'zg'atuvchi nurlanishning w0 chastotasining kuzatilgan Wj siljishlari Mandelshtam nazariyasida yorug'lik tarqalishining sababi deb hisoblangan akustik to'lqinlarning xarakterli chastotalaridan bir necha marta yuqori ekanligi ma'lum bo'ldi. Keyinchalik, akustik to'lqinlar bilan bir qatorda qo'zg'atuvchi radiatsiya to'lqini bilan bir qatorda boshqa ko'plab turdagi to'lqinlar, xususan, ibtidoiy hujayraning ekvivalent bo'lmagan atomlarining qarama-qarshi harakati bilan tavsiflangan optik tebranish to'lqinlari bo'lishi mumkinligi aniqlandi. kristall. Bu Landsberg va Mandelstam tajribalarida kuzatilgan hayajonli nurlanishning chastotali siljishiga sabab bo'ldi. Keyinchalik, bu tarqalish turi ular tomonidan Raman nurining tarqalishi deb ataldi.

Shu bilan birga (1928 yilda) hind fiziklari Ch. Raman va K. Krishnan suyuqliklarda yorugʻlikning tarqalishini oʻrganish boʻyicha shunday tajribalar oʻtkazdilar. Birinchi tajribalarda hind olimlari hayajonli nurlanish manbai sifatida quyosh nuridan foydalanganlar. Absorbtsiya filtrlarining ma'lum kombinatsiyalaridan foydalangan holda ular yorug'lik suyuqliklarda tarqaladi, chastota siljishi w" = w0 - W (w0 - qo'zg'atuvchi nurlanish chastotasi, w" - tarqalgan yorug'lik chastotasi) degan xulosaga kelishdi. , va ularning tajribalari natijalari Kompton effektining optik analogining ko'rinishi sifatida talqin qilindi. Bu hodisa keyinchalik Raman effekti deb ataldi. Bu hodisani kashf etgani uchun 1930 yilda Ch.Raman Nobel mukofoti bilan taqdirlangan.

Shuni ta'kidlash kerakki, Mandelstam va Landsberg tomonidan taklif qilingan Raman scattering (RSS) atamasi mustaqil ma'noga ega va ilmiy adabiyotlarda keng qo'llaniladi.

Birinchi ishlardan boshlab yorug'lik tarqalishining yangi turini o'rganish darhol ilmiy jamoatchilikning keng doiralarining e'tiborini tortdi. Shubhasiz, bu hodisaning kashfiyoti eng hayratlanarlilaridan biridir ilmiy yutuqlar XX asr.

1. Ramanning sochilish usuli nazariyasi

Namunaga tushgan monoxromatik yorug'lik aks etishi, so'rilishi yoki tarqalishi mumkin. Yorug'likning tarqalish jarayoni elastik (ya'ni yorug'lik va materiya o'rtasida energiya almashinuvisiz sodir bo'lishi mumkin) va noelastik (ya'ni yorug'lik va materiya o'rtasida energiyaning qayta taqsimlanishi sodir bo'lishi mumkin) bo'lishi mumkin.

Yorug'likning elastik tarqalishi Rayleigh deb ataladi. U ustunlik qiladi: o'rtacha o'n milliondan faqat bitta foton elastik bo'lmagan tarzda tarqaladi. Rayleigh tarqalishida tarqalgan yorug'likning chastotasi tushayotgan yorug'lik chastotasiga to'liq tengdir.

Noelastik yorug'lik tarqalishi Raman tarqalishi (RS) yoki Raman deb ataladi. Ramanning tarqalishida yorug'lik va materiya energiya almashadi. Natijada, tarqalgan yorug'lik chastotasi kamayishi (bu holda energiya yorug'likdan materiyaga o'tadi - bu Stokesning tarqalishi) yoki ortishi (bu holda energiya materiyadan yorug'likka o'tadi - bu Anti-Stokes) tarqalish).

Tarqalishni fotonning yutilishi va emissiyasining juda tez jarayoni sifatida ko'rish mumkin. Fotonning bunday yutilishi bilan, agar foton energiyasi bu jarayon uchun etarli bo'lmasa, molekula barqaror qo'zg'aluvchan elektron holatga o'tmaydi. U beqaror hayajonlangan holatga o'tadi, undan juda qisqa vaqt o'tgach, foton chiqaradi.

Rayleigh tarqalishida molekula nol tebranish darajasidan fotonni yutadi va emissiyadan keyin unga o'tadi. Stokes tarqalishida molekula nol tebranish darajasidan fotonni yutadi, lekin emissiyadan keyin u birinchisiga o'tadi va foton energiyasining bir qismini o'zlashtiradi. Aksincha, Anti-Stokesning tarqalishi paytida molekula birinchi tebranish darajasidan fotonni yutadi va emissiyadan keyin u nolga o'tadi va energiyaning bir qismini chiqarilgan fotonga beradi.

Issiqlik muvozanati sharoitida tebranish darajalari populyatsiyasi Boltsman taqsimotiga bo'ysunadi, ya'ni yuqori darajadagi populyatsiya eksponent ravishda kamayadi. Shunga ko'ra, birinchi daraja nolga qaraganda ancha kamroq darajada to'ldirilgan, bu esa Stokes chiziqlari intensivligi bilan solishtirganda Raman spektridagi Anti-Stokes chiziqlarining ancha past intensivligiga olib keladi.

Qoidaga ko'ra, Raman spektri aniqroq uning kuchliroq, Stokes qismi sifatida tushuniladi. Rayleigh tarqalishining chastotasi (ya'ni nurlanish manbasining chastotasi) "nol" sifatida qabul qilinadi va spektrdagi chiziqning chastotasi Stokes chizig'ining chastotasini Rayleigh nurlanishining chastotasidan ayirish yo'li bilan hisoblanadi.

Umumiy holatda yorug'likning tarqalish jarayoni uning yutilish jarayoni bilan raqobatlashadi. Radiatsiya so'rilsa, molekula eng past qo'zg'aluvchan elektron holatga o'tadi. Asosiy holatga teskari o'tish butunlay radiatsiyaviy bo'lmasligi yoki past chastotali yorug'lik chiqishi bilan birga bo'lishi mumkin. Bu nurlanish fotoluminesans deb ataladi. Qo'zg'atilgan elektron holatning spin konfiguratsiyasiga qarab, fotoluminesans floresans va fosforessensiyaga bo'linadi.

Fotoluminesans chiziqlari Raman chiziqlariga qaraganda ancha kuchliroqdir. Shunday qilib, mos detektor bilan jihozlangan Raman spektrometri bilan bir vaqtning o'zida hech qanday muammosiz Raman spektrini va fotoluminesans spektrini bir nuqtada olish mumkin.

Biroq, ba'zi hollarda, fotoluminesans spektri Raman spektriga qo'shilishi mumkin, bu esa istalmagan effektdir. Quyida UV (ultrabinafsha) va ko'rinadigan diapazonlarda yorug'lik bilan nurlantirilganda ko'rinadigan va yaqin infraqizil mintaqada kuchli lyuminestsatsiyalanadigan rangli polimerning shartli Raman/fotoluminesans spektri keltirilgan. Bunday hollarda, qoida tariqasida, qizg'in lyuminestsent paydo bo'lishining oldini olish uchun hayajonli nurlanish chastotasini tanlashga harakat qilinadi. Variantlardan biri - Raman nurlanishini qo'zg'atish uchun IQ diapazonidagi nurlanish manbalaridan foydalanish.

Rangli polimerning shartli Raman/fotoluminesans spektrlari, UV va ko'rinadigan diapazonlarda yorug'lik bilan nurlanganda ko'rinadigan va yaqin infraqizil mintaqada kuchli floresan. Abtsissa nurlanish chastotasini ko'rsatadi

Rangli polimerning shartli Raman/fotoluminesans spektrlari, UV va ko'rinadigan diapazonlarda yorug'lik bilan nurlanganda ko'rinadigan va yaqin infraqizil mintaqada kuchli floresan. Abtsissa Raman chastotasi va qo'zg'alish chastotasi o'rtasidagi farqni ko'rsatadi (sm-1 da)

Ko'pgina organik molekulalarning Raman spektri uglerod (C) ning boshqa elementlar, odatda vodorod (H), kislorod (O) va azot (N) bilan kimyoviy aloqalarining egilish va cho'zilish tebranishlariga mos keladigan chiziqlardan iborat. turli funktsional guruhlarning tebranishlari (gidroksil -OH, amino guruhi -NH2 va boshqalar). Bu chiziqlar 600 sm-1 (bitta C-C aloqalarining cho'zilgan tebranishlari) dan 3600 sm-1 (gidroksil-OH guruhining tebranishlari) oralig'ida paydo bo'ladi. Bundan tashqari, 250-400 sm-1 oralig'idagi organik molekulalarning spektrlarida alifatik zanjirning egilish tebranishlari paydo bo'ladi.

Dipol momentining o'zgarishi bilan tebranish o'tishlariga mos keladigan chiziqlar paydo bo'ladigan IR spektridan farqli o'laroq, Raman spektrida molekulaning qutblanish qobiliyatining o'zgarishi bilan tebranish o'tishlariga mos keladigan chiziqlar paydo bo'ladi. Shunday qilib, IR va Raman eksklyuziv emas, balki bir-birini to'ldiruvchi spektrometrik usullardir. Raman spektrometrlari mavjud bo'lib, ular bir vaqtning o'zida Raman va IQ spektrlarini bir nuqtada olish imkonini beradi.

Kristal panjaralarning Raman spektrlari qattiq jismlar fizikasida kvazizarralar sifatida qaraladigan panjaraning kollektiv qo'zg'aluvchan holatlari tomonidan nurlanishning tarqalishiga mos keladigan chiziqlarni o'z ichiga oladi. Eng keng tarqalgani optik va akustik fononlar, plazmonlar va magnonlarni o'z ichiga olgan Raman-faol o'tishlardir.

Kvazizarra - ma'lum energiyaga va qoida tariqasida impulsga ega bo'lgan ko'p zarrachali tizimning kollektiv tebranish yoki tebranish kvanti. Kvazizarralar va oddiy zarralar o'rtasida bir qator o'xshashlik va farqlar mavjud. Ko'pgina dala nazariyalarida, masalan, konformal maydon nazariyasida zarralar va kvazizarralar o'rtasida umuman farqlanmaydi.

Fonon - rus olimi I. Tamm tomonidan kiritilgan kvazizarra. Fonon kristal atomlarining tebranish harakati kvantidir. Fonon tushunchasi qattiq jismlar fizikasida juda samarali bo'lib chiqdi. Kristalli materiallarda atomlar bir-biri bilan faol o'zaro ta'sir qiladi va ulardagi alohida atomlarning tebranishlari kabi termodinamik hodisalarni ko'rib chiqish qiyin - trillionlab o'zaro bog'langan chiziqli differentsial tenglamalarning ulkan tizimlari olinadi, ularni analitik hal qilish mumkin emas. Kristal atomlarining tebranishlari kvantlari fononlar bo'lgan tovush to'lqinlari tizimining moddada tarqalishi bilan almashtiriladi. Fonon spini nolga teng (h birliklarida). Fonon bozonlardan biridir va Bose-Eynshteyn statistikasi bilan tavsiflanadi. Fononlar va ularning elektronlar bilan o'zaro ta'siri o'ta o'tkazgichlar fizikasi haqidagi zamonaviy g'oyalarda asosiy rol o'ynaydi.

Akustik fonon kichik to'lqin vektorlari uchun chiziqli dispersiya qonuni va birlik hujayradagi barcha atomlarning parallel siljishi bilan tavsiflanadi. Bunday dispersiya qonuni panjaraning akustik tebranishlarini tavsiflaydi (shuning uchun fonon akustik deb ataladi). Akustik fononlarning energiyasi odatda past (1 sm-1 dan 30 sm-1 gacha).

Optik fononlar faqat birlik hujayrasi ikki yoki undan ortiq atomdan iborat bo'lgan kristallarda mavjud. Ushbu fononlar kichik to'lqin vektorlarida atomlarning tebranishlari bilan tavsiflanadi, shunda birlik hujayraning og'irlik markazi harakatsiz qoladi. Optik fononlarning energiyasi odatda ancha yuqori (500 sm-1 tartibida) va kuchsiz ravishda to'lqin vektoriga bog'liq.

Plazmon - erkin elektron gazning kollektiv tebranishlari bo'lgan plazma tebranishlarining kvantlanishiga mos keladigan kvazizarracha. Plazmonlar metallarning optik xususiyatlarida muhim rol o'ynaydi. Plazma chastotasi ostidagi yorug'lik aks etadi, chunki metalldagi elektronlar yorug'likning elektromagnit to'lqinidagi elektr maydonini himoya qiladi. Plazma chastotasidan yuqori yorug'lik o'tadi, chunki elektronlar uni himoya qilish uchun etarlicha tez javob bera olmaydi. Ko'pgina metallarda plazma chastotasi spektrning ultrabinafsha mintaqasida bo'lib, ularni ko'rinadigan diapazonda porloq qiladi. Doplangan yarimo'tkazgichlarda plazma chastotasi odatda ultrabinafsha mintaqada bo'ladi.

Yuzaki plazmonlar (sirtlarda chegaralangan plazmonlar) yorug'lik bilan kuchli ta'sir o'tkazadi, natijada qutblar hosil bo'ladi. Ular Ramanning sirtini yaxshilashda, Ramanning tarqalishida (SERS) va metall difraksiyasidagi anomaliyalarni tushuntirishda rol o'ynaydi. Yuzaki plazmon rezonansi biokimyoda sirtda molekulalar mavjudligini aniqlash uchun ishlatiladi.

Magnon - bu o'zaro ta'sir qiluvchi spinlar tizimining elementar qo'zg'alishiga mos keladigan kvazizarra. Bir nechta magnit pastki panjarali kristallarda (masalan, antiferromagnitlar) har xil energiya spektriga ega bo'lgan magnonlarning bir nechta turlari bo'lishi mumkin. Magnonlar Bose-Eynshteyn statistikasiga bo'ysunadilar. Magnonlar bir-biri bilan va boshqa kvazizarralar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Magnonlarning mavjudligi magnonning tug'ilishi yoki yo'q bo'lib ketishi bilan birga neytronlar, elektronlar va yorug'likning tarqalishi bo'yicha tajribalar bilan tasdiqlangan.

Magnon kontseptsiyasi 1930 yilda Feliks Bloch tomonidan ferromagnitlarda o'z-o'zidan magnitlanishning kamayishi hodisasini miqdoriy jihatdan tushuntirish uchun kiritilgan. Mutlaq nol haroratda ferromagnit o'zining eng past energiya holatiga etadi, bunda atom spinlari (shuningdek, magnit momentlari) bir xil yo'nalishda tekislanadi. Harorat ko'tarilgach, spinlar umumiy yo'nalishdan chetga chiqa boshlaydi va shu bilan ichki energiyani oshiradi va umumiy magnitlanishni kamaytiradi. Agar ideal magnitlangan ferromagnitni vakuum holati sifatida tasavvur qilsak, u holda ideal tartib kam sonli teskari spinlar bilan buziladigan past haroratdagi holat kvazizarrachalar - magnonlar gazi sifatida ifodalanishi mumkin. Har bir magnon to'g'ri tekislangan spinlar sonini h ga va kvantlash o'qi bo'ylab umumiy magnit momentni gh ga kamaytiradi, bu erda g - giromagnit nisbat.

2. Raman spektroskopiyasini nazorat qilish uchun qo'llash

dorivor, narkotik va toksik dorilar

Yorug'likning Raman tarqalishining spektroskopiyasi usuli (Raman spektroskopiyasi).

Raman spektroskopiyasi nafas olayotgan va chiqarilgan havo gazlarini aniqlash va ularning kontsentratsiyasini lazer nurlari ta'siridan so'ng dastlabki (qo'zg'atmagan) energiya holatiga qaytgan gaz molekulalarining yorug'lik emissiyasini tahlil qilish orqali o'lchash imkonini beradi. Bemor gaz namunalari o'lchash kamerasiga kiradi, u erda argon lazeri bilan nurlanadi. Lazer nurlanishi natijasida gaz molekulalari hayajonlangan holatga o'tadi, ammo dastlabki (qo'zg'atmagan) holatga teskari o'tishda gaz molekulalari allaqachon kamroq energiya va uzunroq to'lqin uzunligi nurini chiqaradi. Bu hodisa fizikada "Raman siljishi" nomi bilan tanilgan.

Har bir gaz uchun "Raman" to'lqinining siljish miqdori o'ziga xosdir, bu namunadagi gazlarni aniqlash imkonini beradi (masalan, qaysi inhalatsiya anesteziyasi ishlatiladi). Gaz kontsentratsiyasi ikkilamchi nurlanish intensivligidan aniqlanadi. Mass-spektrometriya kabi, Raman spektroskopiyasi usuli gaz aralashmasining barcha tarkibiy qismlarining konsentratsiyasini aniqlash imkonini beradi. Mass-spektrometriya va Raman spektroskopiyasi natijalari texnologiyada fundamental farqlar mavjudligiga qaramay, bir xil darajada aniqdir. Raman spektroskopiyasining afzalliklari tezroq natijalar va o'z-o'zini kalibrlash imkoniyatidir.

Asosiy afzalliklari

Ramanning tarqalishi texnologiyasi tebranish molekulyar spektroskopiyaga ishora qiladi. Tebranishlar molekulalarda yadrolarning muvozanat holatidan siljishi tufayli yuzaga keladi. Vibratsiyali spektrlar infraqizil spektrlar va Raman spektrlari (Raman spektrlari) shaklida qayd etiladi.

Raman spektri moddani ultrabinafsha yoki ko'rinadigan diapazonda monoxromatik yorug'lik bilan nurlantirganda paydo bo'ladi. Yorug'lik ta'sirida moddaning molekulalari qutblanadi va yorug'likni tarqatadi. Bunda tarqalgan yorug'lik dastlabki nurlanish chastotasidan molekulaning normal tebranish chastotasiga mos keladigan miqdor bilan farq qiladi. Ushbu xususiyatning individualligi usulning yuqori selektivligini belgilaydi.

Raman spektrining ko'rinishini quyidagicha ifodalash mumkin: tushayotgan nurlanish kvanti erdagi yoki qo'zg'aluvchan tebranish holatida bo'lgan molekula bilan o'zaro ta'sir qiladi. Agar o'zaro ta'sir elastik bo'lsa, u holda molekulaning energiya holati o'zgarmaydi va tarqalgan nurlanishning chastotasi tushayotgan nurlanish bilan bir xil bo'ladi (Raman spektrining Reley diapazoni). Noelastik o'zaro ta'sirda nurlanish kvanti va molekula o'rtasida energiya almashinuvi sodir bo'ladi, buning natijasida tarqoq nurlanish paydo bo'ladi, bu yuqori yoki past chastotada bo'lishi mumkin (mos ravishda Stokes va Stokesga qarshi chiziqlar). Shunday qilib, Raman spektri hosil bo'ladi.

Raman spektroskopiya usuli ko'rib chiqilayotgan molekula yoki butun molekulyar tuzilishga nisbatan noyob bo'lgan individual spektral izni olish imkonini beradi.

FT-IR spektroskopiyasi bilan solishtirganda, Raman spektroskopiyasi muhim asosiy afzalliklarga ega:

Oltingugurtning Raman spektri

* Raman spektroskopiya usuli suvli eritmalarni tahlil qilish uchun ishlatilishi mumkin, chunki IQ Furye usulidan farqli o'laroq, suvning yuqori yutilish effekti unga sezilarli ta'sir ko'rsatmaydi.

* Intensivlik spektral chiziqlar eritmada o'ziga xos birikmalar konsentratsiyasiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir;

* Raman spektri eritma haroratining o'zgarishiga bog'liq emas;

* Raman spektroskopiya usuli amalda namuna tayyorlashni, reagentlardan foydalanishni talab qilmaydi va hujayra moddasi, masalan, shisha ta'sir qilmaydi;

* Raman spektrometrlaridan foydalanish IR-Fourier spektrometriyasi uchun erishib bo'lmaydigan yuqori aniqlik va sezgirlikka erishish imkonini beradi.

Ushbu afzalliklar, usulning o'ziga xos xususiyati tufayli, Raman spektrometriyasini kimyoviy tarkibni tahlil qilish va kuzatish uchun kuchli vositaga aylantiradi. Har bir birikma o'ziga xos Raman spektriga ega. Amaldagi asboblarga qarab, ushbu usul tahlil qilish uchun ishlatilishi mumkin qattiq moddalar, eritmalar, shuningdek, o'rganilayotgan muhitning fizik xususiyatlari, masalan, kristall panjara, orientatsiya, polimorf shakllar va boshqalar haqida ma'lumot beradi.

Raman spektrometri yordamida olingan hujayra tasviri.

3. Materiyani o'rganish usuli sifatida yorug'likning Raman tarqalishi

Raman spektrlari molekulalar va kristallarning tabiiy tebranish chastotalarini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin. Bu moddalarni aniqlash va ularda tashqi ta'sirlar ta'sirida sodir bo'ladigan o'zgarishlarni o'rganish uchun keng imkoniyatlar ochadi. Keling, ba'zi misollar keltiraylik. Bitta va bir xil modda bir nechta modifikatsiyaga ega bo'lishi mumkin, masalan, uglerod grafit, olmos, amorf faza shaklida. Kimyoviy yoki spektral tahlillar bu fazalarni farqlashga imkon bermaydi, lekin ular uchun Raman spektrlari farq qiladi, chunki nafaqat Kimyoviy tarkibi modda, balki uning tuzilishi. RRS yordamida kristall erishi va suyuqliklarning kristallanish jarayonlarini o'rganish, kashf qilish mumkin. kimyoviy reaksiyalar eritmalarda qattiq jismlar yuzasida yupqa plyonkalar paydo bo'lishini aniqlash va ularning tuzilishini tavsiflash va hokazo.. Harorat, bosim va boshqa tashqi omillarning o'zgarishi ba'zi kristallar panjarasi simmetriyasining o'zgarishiga olib keladi (struktura fazali transformatsiyalar). Kristal panjaraning qayta joylashishi tabiiy ravishda uning tebranish spektrining o'zgarishiga olib keladi va Raman bu o'zgarishlarni tahlil qilish uchun nozik vositadir.

Shakl 1. o'tish sxemasini ko'rsatadi, natijada Raman spektrida (RS) qizil va binafsha rangli yo'ldoshlarning mavjudligi. Oltingugurt molekulasidagi yadrolarning tabiiy tebranish chastotasini toping? 0 va kvazelastik kuch koeffitsienti, agar yorug'likning Raman tarqalishining tebranish spektrida siljimagan chiziqqa eng yaqin qizil va binafsha sun'iy yo'ldoshlar 346,6 va 330,0 nm to'lqin uzunliklariga to'g'ri kelishi ma'lum bo'lsa. RC ning qo'zg'alish to'lqin uzunligi qanday? spektr? Xona haroratida qizil va binafsha rangli yo'ldoshlar intensivligining nisbati qanday? Tebranishlarning anharmonikligiga e'tibor bermang.

E'lon qilingan http://www.allbest.ru/

1-rasm. Raman sochilishida Stokes (a) va anti-Stokes (b) sun'iy yo'ldoshlarining paydo bo'lish sxemasi.

1-rasmda keltirilgan sxemalarni tahlil qilib, qizil va binafsha sun'iy yo'ldoshlarning chastotalari quyidagi nisbatlar bo'yicha tabiiy tebranish chastotasi bilan bog'liqligini ko'ramiz:

qayerda? RR ni qo'zg'atadigan yorug'likning chastotasi. Xuddi shunday aloqalar yo'ldoshlarga mos keladigan to'lqin raqamlari uchun ham sodir bo'ladi:

Formulalardan (2) quyidagilar olinishi mumkin:

Shuni hisobga olib, (3) dan molekulaning tabiiy tebranishlariga mos keladigan to'lqin raqamini olamiz:

Hisob-kitoblardan so'ng biz quyidagilarni topamiz:

Bunday holda, chastota rad / s.

Kvazielastik kuch koeffitsienti tabiiy tebranish chastotasi bilan bog'liq:

oltingugurt atomining massasi qayerda.

Hisob-kitoblar natijasida biz quyidagilarni olamiz:

Qiziqarli chiziqning to'lqin raqamini (2) formula bo'yicha topish mumkin:

Shu asosda

Hisob-kitoblardan so'ng biz quyidagilarni olamiz:

Shakl 1. qizil sun'iy yo'ldosh yer tebranish holatida bo'lgan molekulalar tomonidan yorug'likning tarqalishi va binafsha rangli sun'iy yo'ldosh qo'zg'atilgan molekulalar tomonidan yorug'lik tarqalishining natijasi ekanligini ko'rsatadi. Sun'iy yo'ldoshlarning intensivligidagi farq, asosan, shtatlar aholisining farqiga bog'liq. Agar boshqa omillarning ta'sirini hisobga olmasak, binafsha va qizil yo'ldoshlarning intensivligi nisbati populyatsiyalar nisbatiga teng bo'ladi. Shunday qilib, Boltsman formulasini hisobga olgan holda, biz quyidagilarni olamiz:

300 K deb faraz qilsak, hisob-kitoblardan so'ng biz quyidagilarni topamiz:

Javob: 338.1; 0,031.

Raman sochuvchi yorug'lik spektroskopiyasi dorivor

Xulosa

DA o'tgan yillar RRS hodisasining o'ziga xos xususiyatlari jadal o'rganiladi. Tadqiqotchilar asosan bir qator yangi hodisalarga yaqinlashdilar. Bularga quyidagilar kiradi: 1) qo'zg'atuvchi nurlanish chastotasi moddaning elektron yutilish zonasiga yaqinlashganda samarali sochilish kesimining keskin ortishidan iborat bo'lgan rezonansli Raman sochilishi; 2) Ramanni rag'batlantirdi, bu kenglikning keskin pasayishi va bir yoki bir nechta Raman chiziqlari intensivligining hayajonli nurlanish intensivligi bilan taqqoslanadigan qiymatlarga ko'tarilishidan iborat; 3) qo'zg'atuvchi nurlanishning ikkinchi optik garmonikasining chastota mintaqasida Raman yo'ldoshlarining paydo bo'lishidan iborat bo'lgan yorug'likning giper-Raman tarqalishi; 4) ba'zi metallarning qo'pol yuzasida adsorbsiyalangan bir qator molekulalar uchun samarali sochilish kesimini 105-106 martagacha oshirishdan iborat gigant RS; 5) moddalar bir vaqtning o'zida ikkita lazerli yorug'lik manbalari tomonidan qo'zg'atilganda tarqalish signalining intensivligi va burchak yo'nalishining keskin oshishidan iborat bo'lgan kogerent anti-Stokes tarqalishi. Bu hodisalarning barchasi ilmiy va amaliy muammolarni hal qilish uchun yangi imkoniyatlarni ochib beradi va kelajakda ulardan foydalanish shubhasizdir.

Juda biri sifatida istiqbolli yo'nalishlar So'nggi yillarda ishlab chiqilgan Raman mikroskopiyasini ta'kidlaymiz. Bu erda ish turli xil Raman chiziqlarining "nurida" mikroob'ektlar tasvirini olish imkonini beruvchi mikroskoplarning yangi turlarini yaratish yo'lida davom etmoqda. Bunda an'anaviy mikroskopda to'liq farqlanmaydigan yoki kam farqlanadigan mikroob'ektlarning bunday detallarini farqlash mumkin. Xususan, Raman spektrlaridagi farqlar yordamida "sog'lom" hujayralarni "kasal"lardan ajratish va kasallikning mikroskopik xarakterini aniqlash mumkin; moddalarning izotopik tarkibi va mikrodefektlar, shuningdek, qattiq jismlardagi kuchlanishlar to'g'risida ma'lumotlar olish uchun imkoniyatlar ochiladi. Kimyoviy, biologik va hatto yadroviy jarayonlarni katalizlash uchun qattiq moddalar erkinligining majburiy Raman tebranish darajalari jarayonida tanlab isitish bilan bog'liq yo'nalish katta qiziqish uyg'otadi.

Shunday qilib, 20-asrda boshlangan Ramanning tarqalishi tadqiqotlari akademik laboratoriyalardagi noyob tajribalardan katta amaliy ahamiyatga ega bo'lgan keng ko'lamli tajribalargacha uzoq yo'lni bosib o'tdi.

Adabiyotlar ro'yxati

1. Landsberg G.S., Mandelstam L.I. Yorug'likning tarqalishidagi yangi hodisa

2. V.L. Ginzburg, I.L. Fabelinskiy, "Ramanning yorug'likning tarqalishi tarixi to'g'risida"

3. Guseva E.V., Orlov R.Yu. Yorug'likning Raman tarqalishining spektroskopiyasi (Raman spektroskopiyasi). Mineralogiya va materialshunoslikda qo'llanilishi

4. Guseva E.V., Melnikov F.P., Orlov R.Yu., Uspenskaya M.E. Gaz-suyuqlik qo'shimchalarini tahlil qilish uchun yorug'likning Raman spektroskopiyasi

5. M. M. Sushchinskiy, molekulalar va kristallarning Ramanning sochilish spektrlari.

6. Brandmuller I., Moser G., Raman spektroskopiyasiga kirish

7. Kohlrausch K. "Raman spektrlari"

Allbest.ru saytida joylashgan

Shunga o'xshash hujjatlar

Elastik va noelastik yorug'likning tarqalishi, birikma usuli nazariyasi. Dorivor, giyohvandlik va toksik dorilarni nazorat qilish uchun Raman spektroskopiyasidan foydalanish. Raman yorug'likning tarqalishi materiyani o'rganish usuli sifatida, asosiy afzalliklari.

muddatli ish, 28.10.2011 qo'shilgan


Raman nurining tarqalishi tushunchasi. Yorug'lik to'lqinining o'zgaruvchan maydoni. Yorug'likning Raman tarqalishidagi kvant o'tishlari. Tarqalish spektrida qo'shimcha chiziqlar paydo bo'lishi. Raman mikroskopining qurilmasi, uni qo'llashning asosiy sohalari.

referat, 01/08/2014 qo'shilgan


Ultrananokristalli olmos plyonkalarini Ramanni sochish usullari bilan tekshirish. Quvvat ta'siri lazer nurlanishi spektrlarning axborot mazmuni haqida. UNCD filmlarining elektronikada foydalanish uchun yangi nanomaterial sifatida istiqbollari.

muddatli ish, 30.01.2014 yil qo'shilgan


Umumiy ma'lumot nurlanishning moddalar bilan o'zaro ta'siri haqida. Raman spektrometrining xarakteristikalari. Stronsiy-boratli shisha spektrining past chastotali qismini tahlil qilish. Olingan eksperimental spektrlarni sifatini oshirish uchun qayta ishlash.

muddatli ish, 2012-yil 12-03-da qo‘shilgan


Alohida zarracha tomonidan sochilishning fizik mexanizmi. Tarqalgan to'lqinlarni o'zaro kuchaytirish yoki bostirish. Yorug'likning ko'p tarqalishi. Zarrachalar klasteri tomonidan tarqalishning umumiy intensivligi. Tarqalish paytida yorug'likning qutblanishi. Polarizatsiyalangan yorug'likdan foydalanish.

muddatli ish, 06/05/2015 qo'shilgan


Yorug'lik intensivligining spektral o'lchovlari. Kerosindagi kobalt ferrit va magnetitning magnit kolloidlarida yorug'likning tarqalishini tekshirish. Elektr va magnit maydonlarni o'chirishdan keyin vaqt o'tishi bilan tarqalgan yorug'lik intensivligining pasayishi egri chiziqlari.

maqola, 19.03.2007 qo'shilgan


Moddaning tuzilishini aniqlash fizikaning markaziy vazifalaridan biri sifatida. Suyuqliklarda molekulyar nur sochish usulidan foydalanish. Suyuqliklardagi tebranishlarning umri. Haqiqiy jismoniy tizimlarda dispersiya konturining qanotini kesuvchi mexanizm.

referat, 22.06.2015 qo'shilgan


Osmonning ko'k rangining sababini aniqlash tarixi: qadimgi yunonlarning nazariyasi; Gyote va Nyuton gipotezalari. Sayyora gazsimon qobig'ining termal tebranishlari orqali yorug'likning tarqalishining Reyl nazariyasining noto'g'riligi. Yorug'likning molekulyar tarqalishi: Smoluchovskiyning opalessensiya nazariyasi.

referat, 2012-09-23 qo'shilgan


To'qnashuv jarayonlarini tadqiq qilish va tarqalish nazariyasini ishlab chiqish. Elastik sochilish, bunda molekula to'qnashuvdan keyin asl holatida qoladi. Furye munosabati yordamida tushayotgan elektronning koordinatalari ustidagi integralni hisoblash.

dissertatsiya, 2014-05-19 qo'shilgan


Kompton sochilishining kvant nazariyasi. Qaytaruvchi elektronning harakat yo'nalishi. Yengil bosim. Vodorod atomi spektrlaridagi ketma-ket qonuniyatlar. Tomson, Ruterford modeli. Bor postulatlari. De Broyl gipotezasi. Kvant mexanik nazariyasi elementlari.

Raman (Raman) yorug'likning tarqalishi. Tarqalishning fizik mexanizmi. Asosiy tenglamalar va parametrlar.

Raman (Raman) yorug'likning tarqalishi.

Ushbu ma'ruzada biz, ehtimol, eng muhim chiziqli bo'lmagan to'lqin jarayonlaridan biri bo'lgan stimulyatsiya qilingan Raman tarqalishining (SRS) ta'sirini tahlil qilishga murojaat qilamiz. Spontan Raman (Raman) tarqalishining (RS) mohiyati quyidagicha. Kvazimonoxromatik nurlanish bir hil muhitdan o'tganda, spektral komponentlar tarqoq nurlanish spektrida ō s chastotalarda paydo bo'ladi, ular birlashtirilgan.

nasosning radiatsiya chastotasi ō n va muhitning tabiiy tebranishlarining chastotasi ō 0 ning ikkilanishi:

Bu yerda n butun sondir. Bunday holda, tarqoq nurlanish amalda izotropdir va uning intensivligi nasos intensivligining 10-6-10-8 darajasida bo'ladi. Hozirgi vaqtda bu hodisa suyuqliklar va gazlar aralashmalarini sifat va miqdoriy tahlil qilish uchun keng qo'llaniladi, chunki u tarkibni ō s, i chastotalarda intensivlik nisbati bo'yicha hukm qilish imkonini beradi.

mos keladigan chastotalar ō 0, i bo'lgan molekulyar komponentlarni o'z ichiga olgan aralashma i.

(Stokes komponentlari) va bu komponentlarning intensivligi nasosning intensivligi bilan taqqoslangan. Bundan tashqari, o'qga perpendikulyar nasos nurida kuzatilganda, ekranda bir qator halqalar kuzatildi. Bunda halqalarda ō a = ō n + n ō 0 shartini qanoatlantiruvchi spektral komponentlar mavjud edi.

(Stokesga qarshi komponentlar). Bu hodisa ogohlantirilgan Raman tarqalishi (SRS) deb ataladi.

Tarqalishning fizik mexanizmi.

Ushbu hodisaning fizikasi Plachzek tomonidan taklif qilingan yorug'likning molekulalar bilan o'zaro ta'sirining oddiy klassik modeli yordamida tushuntirilishi mumkin. Raman tarqalishining ta'siri a molekulasining elektron qutblanishining q molekulasidagi yadrolarning koordinatalari bilan berilgan yadro konfiguratsiyasiga bog'liqligi bilan bog'liq:

∂ a ∂ q q = 0 bo'lgan atama molekulyar tebranishlar orqali yorug'likning modulyatsiyasini tavsiflaydi;

bu holda molekulaning qutblanish spektrida yadro tebranishlarining ō 0 chastotasiga siljigan yangi chastota komponentlari paydo bo'ladi:

q molekulasidagi yadrolar koordinatalarining siljishi muhitdagi issiqlik harakatlari bilan aniqlangan sharoitda (15.3) tenglama o'z-o'zidan Raman tarqalishini tavsiflaydi. Agar tushayotgan yorug'lik maydoni ō n chastotaga ega bo'lsa va

molekulyar tebranishlar (15.1) tufayli o'rtacha chastota ō 0 bilan sodir bo'ladi, keyin Stokes (ō c = ʼn n - ō 0) va anti-Stokes (ō a = ʼn n + ō 0) komponentlari tomonidan tarqalgan yorug'lik maydonida paydo bo'ladi. molekulasi.

Ramanning spontan tarqalishi juda oddiy kvant talqiniga ega (15.2-rasm). Yorug'lik nurlanishi muhitdan o'tganda, ikki fotonli jarayon mumkin, bunda nasos chastotasi ō n bo'lgan yorug'lik kvanti bir vaqtning o'zida yorug'lik kvantini chiqarish bilan so'riladi.

Stokes komponentining chastotasida ō s , va molekula hayajonga kiradi

holat. Yorug'lik qo'zg'aluvchan holatda molekula bilan o'zaro ta'sir qilganda, ikki fotonli jarayon ham sodir bo'ladi, bunda ō n chastotadagi kvant yo'qoladi, ō a chastotadagi kvant chiqariladi va molekula yo'qoladi.

zamin holatiga o'tadi.

15-MA'RUZA. rag'batlantirilgan RAMON TARQASI

ōn

Shuning uchun a 0 "≠ 0 da yorug'lik maydonida molekulyar tebranishlarga ta'sir qiluvchi kuch paydo bo'ladi:

Agar maydon chastotalari ō 1 va ō 2 bo'lgan ikkita spektral komponentni o'z ichiga olsa, bu kuch ularning rezonans to'planishiga olib kelishi mumkin, ularning orasidagi farq.

ō 1 - ō 2 ≈ ō 0 taxminan molekulyar tebranishlar chastotasiga teng. Bularda

sharoitlar, dalgalanma xarakteriga ega bo'lgan xaotik intramolekulyar tebranishlar muntazam majburiy tebranishlar bilan qoplanadi, ularning fazalari yorug'lik maydonlarining fazalari bilan belgilanadi.

Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi - molekula ichidagi tebranishlarning optik qo'zg'alishi tufayli yuzaga keladigan jarayon; rezonans dublet kuchli lazer to'lqinining Stokes tarqalishi tufayli paydo bo'ladi

15-MA'RUZA. rag'batlantirilgan RAMON TARQASI

(nasos to'lqinlari). Agar molekula ichidagi tebranishlar yorug'lik bilan qo'zg'atilgan bo'lsa, tarqalish sxemasi ham sifat jihatidan o'zgaradi. O'z-o'zidan tarqalishda tarqalgan yorug'lik komponentlarining zaif o'sishi rag'batlantirilgan sochilishda tarqoq komponentlarning beqaror eksponensial o'sishi bilan almashtiriladi. Chiziqli bo'lmagan optikada bu holat chastotani samarali konvertatsiya qilish uchun ishlatiladi.

Asosiy tenglamalar va parametrlar.

Keling, SRS jarayonini tavsiflovchi oddiy nazariy modelni taqdim qilaylik. (15.5 ) munosabatidan foydalanib, molekulyar tebranishlar tenglamasini (populyatsiyalar farqining o'zgarishi ta'sirini e'tiborsiz qoldiramiz) shaklda yozamiz.

(15.6) maydonning molekulyar tebranishlarga ta'sirini tavsiflaydi. O'z navbatida q tebranishlari P nl = N a "q E muhitida chiziqli bo'lmagan qutblanish hosil qiladi va shuning uchun

shunday qilib, tenglama bilan ifodalangan maydonga teskari ta'sir ko'rsatadi

o'z-o'zidan Raman tarqalishining chiziq kengligi va odatda ifodalanadi

sm–1 dn 0 = dō 0 2 p c = 1 p cT da bo'ladi.

Monoxromatikga yaqin toʻlqinlarning oʻzaro taʼsirini hisobga olib, q ni (15.7 )–(15.8 ) ga oʻxshash koʻrinishda yozamiz:

U holda statsionar holatda (15.7) - (15.8) ni hisobga olgan holda (15.6) tenglamaning yechimi ō 0 = ō n - ō s uchun (15.11) ko'rinishga ega bo'ladi.

2 mc

Bu erda molekulyar qo'zg'alishlarning k 0 to'lqin vektori nasos k n va Stoks nurlanishi k s to'lqin vektorlari bilan aniqlanishini ta'kidlaymiz: k 0 = k n - k s va "hayoliy" to'lqin vektori, chunki har bir molekulaning tebranishlari mustaqil ravishda sodir bo'ladi, va bu tebranishlarning fazasi fazalar farqi nasosi va Stokes komponentlari bilan belgilanadi, bu esa o'z navbatida muhitning tarqalishiga bog'liq. Amplitudalari Va bilan And n va Q ning fazoda nisbatan sekin o‘zgarishini hisobga olib, (15.9) tenglamadan sekin o‘zgaruvchan amplituda uchun quyidagi ko‘rinishdagi kesilgan tenglamalar tizimini olamiz:

Ushbu tenglamalarning parametrlari quyidagilardir: bo'shashish vaqti T, o'zaro ta'sir qiluvchi to'lqinlarning chastotalari va muhitning optik nochiziqligini aniqlaydigan doimiy.

A n ni kuchli va berilgan deb hisoblab, A uchun (15.12) tenglamadan shakldagi yechimni olamiz.

Bu erda A 0 s - bu termal va juda zaif nurlanish bo'lgan muhitga kirishdagi Stokes komponentining amplitudasi; g \u003d g" A n 2.

Demak, biz Stokes komponentining amplitudasi nasos nurining tarqalishi bo'ylab eksponent ravishda o'sib borishini ko'ramiz. Molekulyar tebranishlarning amplitudasi ham masofaga qarab eksponent ravishda o'sib boradi, bu kvant tilida molekulalarning qo'zg'aluvchan holatidagi populyatsiyaning ko'payishini anglatadi. Ikkinchisi, shuningdek, Stokesga qarshi komponentning ko'payishiga olib kelishi kerak. Xususiyatlari bu jarayon quyida muhokama qilinadi.

Shunday qilib, klassik Placzek modelidan foydalanib, Stokes komponentining maydoni nasos nurining yo'nalishi bo'yicha eksponent ravishda o'sishi mumkinligi ko'rsatilgan.

КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА, рассеяние световых волн, при котором частоты падающих и переизлучённых (рассеянных) волн отличаются друг от друга на частоты собственных колебаний в веществе (частоты квантовых переходов между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии в атомах и молекулах, частоты оптических фононов в кристаллах va h.k.).

Raman yorug'lik tarqalishining ta'sirini 1923 yilda avstriyalik fizik A. Smekal bashorat qilgan; 1928 yilda kristallarda yorug'likning tarqalishi paytida G. S. Landsberg va L. I. Mandelstam tomonidan kashf etilgan. Shu bilan birga, suyuqliklarda yorug'likning Raman tarqalishini C. V. Raman va hind fizigi K. S. Krishnan qayd etgan.

Raman yorug'lik tarqalishining klassik rasmini molekulyar tebranishlar misolida ko'rib chiqish mumkin. tebranishlar atom yadrolari chastotasi Ō bo'lgan molekulada molekulaning qutblanishini modulyatsiya qiladi, bu esa muhitning o'tkazuvchanligining mos keladigan o'zgarishiga olib keladi. Modulyatsiyalangan muhitdan o'tadigan chastotasi ō 0 bo'lgan yorug'lik to'lqinining amplitudasi o'tkazuvchanlik, Ō chastotasi bilan modulyatsiya qilinadi. Bu shuni anglatadiki, to'lqin spektrida asosiy komponentga qo'shimcha ravishda ō s = ō 0 -Ō va ō a = ō 0 + Ō chastotali "yon" chiziqlar paydo bo'ladi. Past chastotali chiziq (ō s) odatda Raman tarqalishining Stokes komponenti, yuqori chastotali chiziq (ō a) esa Stokesga qarshi komponent deb ataladi.

Yorug'likning Raman tarqalishining xuddi shunday talqini elastik tebranishlar uchun ham amal qiladi qattiq moddalar, molekulalarning aylanish harakati uchun, elektronlarning atom ichidagi (molekulyar) harakati uchun va boshqalar.

Ga ko'ra kvant nazariyasi, Yorug'likning Raman tarqalishi ikki fotonli jarayon (qarang Multifoton jarayonlari), bunda bitta elementar o'zaro ta'sir aktida. elektromagnit maydon kvant sistemasi bilan (atom, molekula va boshqalar) chastotasi ō 0 bo'lgan tushayotgan nurlanishning bir fotoni yutiladi va ō chastotali tarqoq nurlanish fotoni chiqariladi. Bunda kvant sistemasi E i energiya bilan boshlang'ich holatdan E f energiya bilan yakuniy holatga o'tadi. Energiyaning saqlanish qonuniga muvofiq, tarqalgan nurlanish chastotasi tenglik bilan aniqlanadi ћʼn = ћō 0 - ћʼn fi , bu erda ō fi = (E f - E i)/ћ - kvant o'tish chastotasi, ћ - Plank. doimiy. Agar kvant sistemasi dastlab kamroq energiya holatida bo'lsa, 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 (1b-rasm), keyin tarqalgan yorug'lik yuqori chastotaga ega: ō = ō a = ō 0 + Ō (Stokesga qarshi komponent). Shunday qilib, ō tushayotgan nurlanish chastotasi va moddaning tabiiy chastotalarining birikmasidir: ta'sirning nomi shundan. U ham keng tarqalgan (ayniqsa chet el adabiyoti) Ramanning tarqalishi yoki Raman effekti nomi.

Tarqalgan nurlanishning fotonlari oʻz-oʻzidan kvant oʻtishlari yoki ō chastotada nurlanish taʼsiridan kelib chiqadigan oʻtishlar natijasida chiqarilishi mumkin (ragʻbatlantiruvchi emissiyaga qarang). Birinchi holda, biz yorug'likning o'z-o'zidan Raman tarqalishi haqida gapiramiz, ikkinchisida - Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi haqida (qarang: Rag'batlantiruvchi yorug'lik tarqalishi). O'z-o'zidan tarqalish paytida nurlanish barcha yo'nalishlarda sodir bo'ladi va foton emissiyasining individual harakatlari bir-biri bilan bog'liq emas. Shuning uchun tarqoq nurlanish kogerent bo'lib chiqadi. Uning intensivligi tushayotgan nurlanishning intensivligi va boshlang'ich darajadagi kvant tizimlari (atomlar, molekulalar) sonining zichligiga mutanosibdir. Chunki oddiy aholi sharoitida kvant darajalari ortib borayotgan energiya bilan tez kamayib boradi, boshlang'ich darajasi hayajonlangan anti-Stokes komponentlarining intensivligi, qoida tariqasida, Stokesning tarqalish chiziqlari intensivligidan sezilarli darajada past bo'ladi.

Yorug'likning o'z-o'zidan Raman tarqalishi spektrlarini olish uchun kuchli monoxromatik nurlanish manbalaridan foydalanish kerak. Shunday qilib, simob lampalar uzoq vaqt davomida ishlatilgan. 1960-yillardan boshlab lazerlar hayajonli nurlanishning asosiy manbalari bo'lib kelgan.

Yorug'likning o'z-o'zidan Raman tarqalishi odatda hayajonli yorug'lik nuriga perpendikulyar yo'nalishda qayd etiladi. Bunda spektrda tushayotgan nurlanishning Rayleigh tarqalishi hisobiga chastotasi ō 0 bo'lgan markaziy chiziq (q. Yorug'likning tarqalishi) va Stokes (past chastotali) va Stokesga qarshi hududlarda bir qator sun'iy yo'ldosh chiziqlari mavjud. Chiziqlar orasidagi chastota intervallarini o'lchash moddaning energiya spektrining tuzilishi haqida ma'lumot beradi va spektral chiziqlarning kengligi va shakli moddadagi bo'shashish jarayonlarini hukm qilish imkonini beradi.

Ramanning tarqalishi ikki fotonli jarayon bo'lganligi sababli, u rezonansli yorug'lik yutilishi va lyuminesans uchun mas'ul bo'lgan bitta fotonli jarayonlardan farqli tanlov qoidalariga bo'ysunadi. Shuning uchun Raman spektrlari ko'pincha yutilish va luminesans spektrlarida mavjud bo'lmagan kvant o'tishlarini namoyish etadi. Yorug'likning Raman tarqalishi optik nurlanishdan foydalanib, chastotalari uzoq infraqizil mintaqada va hatto radio diapazonida joylashgan elementar qo'zg'alishlarni o'rganishga imkon beradi.

Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi (SRS) tushayotgan nurlanishning (nasos) yuqori intensivligida o'zini namoyon qiladi. Bunday holda, tarqoq fotonlarning zichligi shunchalik katta bo'ladiki, yangi fotonlarni ishlab chiqarishda asosiy hissa qo'zg'atilgan emissiya jarayonlaridan kelib chiqadi. Natijada elementar tarqalish hodisalari o'rtasida korrelyatsiya paydo bo'ladi turli nuqtalar o'rta va tarqoq nurlanish kogerent bo'ladi.

SRS paytida, ikki fotonli jarayonlardan tashqari, Stokesning bir vaqtning o'zida paydo bo'lishi uchun mas'ul bo'lgan 2ō 0 - ō s - ō a = 0 chastotali to'rt fotonli parametrik jarayonlar muhim rol o'ynaydi (2-rasm). va Stokesga qarshi komponentlar. To'lqinlarning fazaviy moslashuvi parametrik jarayonlarda sodir bo'lganligi sababli, anti-Stokes komponenti SRS vaqtida faqat nasosning tarqalish yo'nalishi bo'yicha kuzatiladi. Shu bilan birga, Stokes komponentini to'g'ridan-to'g'ri va ichkarida samarali ishlab chiqarish mumkin teskari yo'nalish. SRS lazer nurlanishining chastota konvertatsiyasi uchun keng qo'llaniladi.

Yorug'likning o'z-o'zidan Raman tarqalishining spektroskopiyasi molekulalarning tuzilishi va ularning o'zaro ta'siri jarayonlarini o'rganishning samarali usuli hisoblanadi. muhit. Yorug'likning Raman sochilishi usullari qattiq jismlardagi kvazizarralarni, nanostrukturali shakllanishlar tuzilishini va ulardagi jarayonlarni o'rganish uchun ham qo'llaniladi. Kimyoviy tadqiqotlarda keng qo'llaniladigan spektral tahlilda yorug'likning Raman tarqalishidan foydalaniladi. Har bir kimyoviy birikmaning o'ziga xos Raman spektri mavjud bo'lib, uning asosida bu birikmani aniqlash va uni aralashmada aniqlash mumkin (qarang Spektral tahlil). Raman spektrlaridagi ayrim chiziqlarning parametrlari turlicha saqlanadi kimyoviy birikmalar bir xil strukturaviy elementni o'z ichiga olgan, masalan, C=C, C-H, va hokazo. Bu ishlatiladi strukturaviy tahlil noma'lum tuzilishga ega molekulalar.

Yorug'likning Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi chiziqli bo'lmagan spektroskopiyaning bir qator usullari uchun asos bo'ldi, bu esa yuqori fazoviy va vaqtinchalik aniqlikka ega bo'lgan materiyada tadqiqotlar o'tkazish imkonini beradi.

Lit.: Sushchinskiy M. M. Raman kristall molekulalarining sochilish spektrlari. M., 1969; u. Raman yorug'likning tarqalishi va materiyaning tuzilishi. M., 1981; Shen IR chiziqli bo'lmagan optikaning printsiplari. M., 1989 yil.