Efekt Ramana: Różnice pomiędzy wersjami

[wersja przejrzana]

Usunięta treść Dodana treść

Jednokolumnowy

Wersja z 23:17, 24 mar 2009

Efekt Ramana (zjawisko Ramana, rozpraszanie kombinacyjne, rozpraszanie ramanowskie) - nieelastyczne rozpraszanie fotonów przez substancje. Polega ono na tym, że przy rozproszeniu wiązki światła w widmie rozproszonym występują, obok fotonów o takiej samej energii (rozpraszanie Rayleigha) fotony (około 1 na 10⁷) o zmienionej energii. Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej częstotliwości jak światło padające, tak zwanych pasm stokesowskich i antystokesowskich o odpowiednio zwiększonej i zmniejszonej częstotliwości, symetrycznie położonych po obu stronach pasma Rayleigha. Są one na ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie zależy od budowy cząsteczek rozpraszających.

Największe zastosowanie w praktyce ma oscylacyjny efekt Ramana, gdzie odległość pasm stokesowkich i antystokesowskich od pasma Rayleigha (w skali częstotliwości) jest równa częstotliwości drgań normalnych cząsteczek substancji, na której zachodzi rozproszenie. Można również zaobserwować (jedynie w fazie gazowej) rotacyjny efekt Ramana, w którym odległość pasm stokesowkich i antystokesowskich od pasma Rayleigha odpowiada częstotliwości obrotów cząsteczki.

Historia odkrycia

Pierwszeństwo odkrycia zjawiska Ramana jest sprawą kontrowersyjną. Przewidziane zostało teoretycznie już w 1922 roku. Pomiar eksperymentalny został opisany po raz pierwszy w 1928 roku przez Chandrasekhara Ramana i zjawisko zostało nazwane na jego cześć. Za badanie rozpraszania światła Raman otrzymał w 1930 roku nagrodę Nobla. Najprawdopodobniej jednak jako pierwsi zarejestrowali niesprężyste rozproszenie światła radzieccy fizycy Leonid Mandelstam i Grigorij Landsberg.

Mechanizm zjawiska

Rozpraszanie Rayleigha (czyli rozpraszanie elastyczne) opisać można jako anihilację jednego fotonu pod wpływem oddziaływania z cząsteczką (atomem, kryształem) i natychmiastową kreację drugiego fotonu, o takiej samej energii. W wyniku takiego oddziaływania cząsteczka ani nie traci energii, ani jej nie zyskuje. Zdarza się jednak, że kreowany foton ma mniejszą energię niż padający, a różnica energii zostaje zużyta na wzbudzenie drgań lub obrotów cząsteczki - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zmniejszonej częstotliwości, pasmo stokesowskie. Kreowany foton może mieć również większą energię niż padający, co wiąże się z deekscytacją cząsteczki, która przekazuje swój nadmiar energii (oscylacyjnej lub rotacyjnej) kreowanemu fotonowi - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zwiększonej częstotliwości, pasmo antystokesowskie.

Oscylacyjny efekt Ramana

Najczęściej rejestruje się oscylacyjny efekt Ramana, gdzie w cząsteczkach substancji, na której zachodzi rozproszenie, wzbudzane są lub wygaszane drgania, czyli różnica energii fotonu padającego i rozproszonego odpowiada różnicy energii poziomów oscylacyjnych cząsteczki (patrz rysunek powyżej). Ponieważ z rozkładu Boltzmanna wynika, że bardziej obsadzony jest oscylacyjny poziom podstawowy niż wzbudzony, znacznie silniejsze są pasma stokesowskie niż antystokesowskie.

Warunkiem pojawienia się oscylacyjnego pasma ramanowskiego jest zmiana polaryzowalności cząsteczki w czasie drgania normalnego w taki sposób, że nie ma ona ekstremum (minimum bądź maksimum) w położeniu równowagi (czyli że pochodna polaryzowalności po współrzędnej normalnej nie jest zero w położeniu równowagi $\left({\frac {\partial \alpha }{\partial Q}}\right)_{Q=0}\neq 0$ ). Pasmo jest tym większe, im większe są zmiany polaryzowalności podczas drgania.

Rotacyjny efekt Ramana

W przypadku rotacyjnego efektu Ramana różnica energii fotonu padającego i rozproszonego odpowiada różnicy energii poziomów rotacyjnych cząsteczki. W przeciwieństwie do absorpcyjnych przejść rotacyjnych rejestrowanych w spektroskopii mikrofalowej^[1], liczba kwantowa rotacji J zmienia się o +2 (pasma stokesowskie) lub -2 (pasma antystokesowskie) (dla cząsteczek wieloatomowych możliwe są też zmiany o +1 lub -1, patrz widmo rotacyjne).

Warunkiem pojawienia się rotacyjnego pasma ramanowskiego jest anizotropowość tensora polaryzowalności. Rotacyjne widmo ramana mają zatem wszystkie cząsteczki poza tymi o symetrii tetraedru (jak np. metan), oktaedru (jak np. sześciofluorek siarki)) lub ikosaedru (jak np. fuleren C₆₀).

Zastosowanie

Efekt Ramana wykorzystuje się w analizie materiałowej i spektroskopii. Stosunek intensywności pasm stokesowskich i antystokesowskich może posłużyć do wyznaczenia temperatury obiektu rozpraszającego.

W szczególnych warunkach, obserwuje się:

Patrz również:

↑ gdzie liczba kwantowa rotacji J zmienia się maksymalnie o 1

[1] zie liczba kwantowa rotacji J zmienia się maksymalnie o 1

[1]

@@ Linia 1: / Linia 1: @@
-'''Efekt Ramana''' lub '''zjawisko Ramana''', '''rozpraszanie kombinacyjne''' lub '''rozpraszanie ramanowskie'''- nieelastyczne rozpraszanie [[foton]]ów przez substancje. Polega ono na tym, że przy rozproszeniu wiązki [[światło|światła]] w widmie rozproszonym występują, obok fotonów o takiej samej energii ([[rozpraszanie Rayleigha]]) fotony (około 1 na 10<sup>7</sup>) o zmienionej energii. Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej [[częstotliwość|częstotliwości]] jak światło padające, tak zwanych '''pasm stokesowskich''' i '''antystokesowskich''' o odpowiednio zwiększonej i zmniejszonej częstotliwości, symetrycznie położonych po obu stronach pasma Rayleigha. Są one na ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie zależy od budowy cząsteczek rozpraszających.
+'''Efekt Ramana''' (''zjawisko Ramana'', ''rozpraszanie kombinacyjne'', ''rozpraszanie ramanowskie'') - nieelastyczne rozpraszanie [[foton]]ów przez substancje. Polega ono na tym, że przy rozproszeniu wiązki [[światło|światła]] w widmie rozproszonym występują, obok fotonów o takiej samej energii ([[rozpraszanie Rayleigha]]) fotony (około 1 na 10<sup>7</sup>) o zmienionej energii. Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej [[częstotliwość|częstotliwości]] jak światło padające, tak zwanych ''pasm stokesowskich'' i ''antystokesowskich'' o odpowiednio zwiększonej i zmniejszonej częstotliwości, symetrycznie położonych po obu stronach pasma Rayleigha. Są one na ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie zależy od budowy cząsteczek rozpraszających.
 Największe zastosowanie w praktyce ma oscylacyjny efekt Ramana, gdzie odległość pasm stokesowkich i antystokesowskich od pasma Rayleigha (w skali częstotliwości) jest równa częstotliwości drgań normalnych cząsteczek substancji, na której zachodzi rozproszenie. Można również zaobserwować (jedynie w fazie [[gaz]]owej) rotacyjny efekt Ramana, w którym odległość pasm stokesowkich i antystokesowskich od pasma Rayleigha odpowiada częstotliwości obrotów cząsteczki.
-==Historia odkrycia==
+== Historia odkrycia ==
 Pierwszeństwo odkrycia zjawiska Ramana jest sprawą kontrowersyjną. Przewidziane zostało teoretycznie już w 1922 roku. Pomiar eksperymentalny został opisany po raz pierwszy w [[1928]] roku przez [[Chandrasekhara Venkata Raman|Chandrasekhara Ramana]] i zjawisko zostało nazwane na jego cześć. Za badanie rozpraszania światła Raman otrzymał w [[1930]] roku [[Nagroda Nobla|nagrodę Nobla]]. Najprawdopodobniej jednak jako pierwsi zarejestrowali niesprężyste rozproszenie światła radzieccy fizycy [[Leonid Mandelstam]] i [[Grigorij Landsberg]].
-==Mechanizm zjawiska==
+== Mechanizm zjawiska ==
-[[Grafika:Raman energy levels.jpg|400px|thumb|Diagram energetyczny z zaznaczonymi kwantowymi poziomami energetycznymi cząsteczki biorącymi udział w rozproszeniu Ramana. Grubość linii odpowiada w przybliżeniu prawdopodobieństwu zajścia zjawiska. Dla porównania, zaznaczono również (strzałka czerwona), przejście odpowiadające [[Spektroskopia IR|widmu w podczerwieni]].]]
+[[Plik:Raman energy levels.jpg|400px|thumb|Diagram energetyczny z zaznaczonymi kwantowymi poziomami energetycznymi cząsteczki biorącymi udział w rozproszeniu Ramana. Grubość linii odpowiada w przybliżeniu prawdopodobieństwu zajścia zjawiska. Dla porównania, zaznaczono również (strzałka czerwona), przejście odpowiadające [[Spektroskopia IR|widmu w podczerwieni]].]]
-[[Rozpraszanie Rayleigha]] (czyli rozpraszanie elastyczne) opisać można jako anihilację jednego fotonu pod wpływem oddziaływania z cząsteczką (atomem, kryształem) i natychmiastową kreację drugiego fotonu, o takiej samej energii. W wyniku takiego oddzialywania cząsteczka ani nie traci energii, ani jej nie zyskuje. Zdarza się jednak, że kreowany foton ma mniejszą energię niż padający, a różnica energii zostaje zużyta na wzbudzenie drgań lub obrotów cząsteczki - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zmniejszonej częstotliwości, pasmo stokesowskie. Kreowany foton może mieć również większą energię niż padający, co wiąże się z deekscytacją cząsteczki, która przekazuje swój nadmiar energii (oscylacyjnej lub rotacyjnej) kreowanemu fotonowi - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zwiększonej częstotliwości, pasmo antystokesowskie.
+[[Rozpraszanie Rayleigha]] (czyli rozpraszanie elastyczne) opisać można jako anihilację jednego fotonu pod wpływem oddziaływania z cząsteczką (atomem, kryształem) i natychmiastową kreację drugiego fotonu, o takiej samej energii. W wyniku takiego oddziaływania cząsteczka ani nie traci energii, ani jej nie zyskuje. Zdarza się jednak, że kreowany foton ma mniejszą energię niż padający, a różnica energii zostaje zużyta na wzbudzenie drgań lub obrotów cząsteczki - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zmniejszonej częstotliwości, pasmo stokesowskie. Kreowany foton może mieć również większą energię niż padający, co wiąże się z deekscytacją cząsteczki, która przekazuje swój nadmiar energii (oscylacyjnej lub rotacyjnej) kreowanemu fotonowi - rejestruje się wtedy światło rozproszone o zwiększonej częstotliwości, pasmo antystokesowskie.
-===Oscylacyjny efekt Ramana===
+=== Oscylacyjny efekt Ramana ===
 Najczęściej rejestruje się oscylacyjny efekt Ramana, gdzie w cząsteczkach substancji, na której zachodzi rozproszenie, wzbudzane są lub wygaszane drgania, czyli różnica energii fotonu padającego i rozproszonego odpowiada różnicy energii poziomów oscylacyjnych cząsteczki (patrz rysunek powyżej). Ponieważ z [[rozkład Boltzmanna|rozkładu Boltzmanna]] wynika, że bardziej obsadzony jest oscylacyjny poziom podstawowy niż wzbudzony, znacznie silniejsze są pasma stokesowskie niż antystokesowskie.
-Warunkiem pojawienia się oscylacyjnego pasma ramanowskiego jest zmiana [[polaryzowalność|polaryzowalności]] cząsteczki w czasie [[drgania normalne|drgania normalnego]] w taki sposób, że nie ma ona ekstremum (minimum bądź maksimum) w położeniu równowagi (czyli że [[pochodna]] polaryzowalności po współrzędnej normalnej nie jest zero w położeniu równowagi<math>\left(\frac{\partial \alpha}{\partial Q} \right)_{Q=0} \neq 0</math>). Pasmo jest tym większe, im większe są zmiany polaryzowalności podczas drgania.
+Warunkiem pojawienia się oscylacyjnego pasma ramanowskiego jest zmiana [[polaryzowalność|polaryzowalności]] cząsteczki w czasie [[drgania normalne]]go w taki sposób, że nie ma ona ekstremum (minimum bądź maksimum) w położeniu równowagi (czyli że [[pochodna]] polaryzowalności po współrzędnej normalnej nie jest zero w położeniu równowagi<math>\left(\frac{\partial \alpha}{\partial Q} \right)_{Q=0} \neq 0</math>). Pasmo jest tym większe, im większe są zmiany polaryzowalności podczas drgania.
-===Rotacyjny efekt Ramana===
+=== Rotacyjny efekt Ramana ===
 W przypadku rotacyjnego efektu Ramana różnica energii fotonu padającego i rozproszonego odpowiada różnicy energii poziomów rotacyjnych cząsteczki. W przeciwieństwie do [[absorpcja|absorpcyjnych]] przejść rotacyjnych rejestrowanych w [[spektroskopia mikrofalowa|spektroskopii mikrofalowej]]<ref>gdzie liczba kwantowa rotacji ''J'' zmienia się maksymalnie o 1</ref>, liczba kwantowa rotacji ''J'' zmienia się o +2 (pasma stokesowskie) lub -2 (pasma antystokesowskie) (dla cząsteczek wieloatomowych możliwe są też zmiany o +1 lub -1, patrz [[widmo rotacyjne]]).
-Warunkiem pojawienia się rotacyjnego pasma ramanowskiego jest [[anizotropowość]] tensora [[polaryzowalność|polaryzowalności]]. Rotacyjne widmo ramana mają zatem wszystkie cząsteczki poza tymi o symetrii [[tetraedr|tetraedru]] (jak np. [[metan]]), [[oktaedr|oktaedru]] (jak np. [[sześciofluorek siarki]])) lub [[ikosaedr|ikosaedru]] (jak np. [[fuleren]] C<math>_{60}</math>).
+Warunkiem pojawienia się rotacyjnego pasma ramanowskiego jest [[anizotropowość]] tensora [[polaryzowalność|polaryzowalności]]. Rotacyjne widmo ramana mają zatem wszystkie cząsteczki poza tymi o symetrii [[tetraedr]]u (jak np. [[metan]]), [[oktaedr]]u (jak np. [[sześciofluorek siarki]])) lub [[ikosaedr]]u (jak np. [[fuleren]] C<sub>60</sub>).
-==Zastosowanie==
+== Zastosowanie ==
 Efekt Ramana wykorzystuje się w [[badania materiałowe|analizie materiałowej]] i [[spektroskopia Ramana|spektroskopii]]. Stosunek intensywności pasm stokesowskich i antystokesowskich może posłużyć do wyznaczenia temperatury obiektu rozpraszającego.
 W szczególnych warunkach, obserwuje się:
-*[[Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana|powierzchniowo wzmocniony efekt Ramana]]
+* [[Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana|powierzchniowo wzmocniony efekt Ramana]]
-*[[Rezonansowa Spektroskopia Ramana|rezonansowy efekt Ramana]]
+* [[Rezonansowa Spektroskopia Ramana|rezonansowy efekt Ramana]]
-*[[ramanowska aktywność optyczna|ramanowską aktywność optyczną]]
+* [[ramanowska aktywność optyczna|ramanowską aktywność optyczną]]
 Patrz również:
-*[[Spektroskopia Ramana]]
+* [[Spektroskopia Ramana]]
-*[[Spektroskopowe kryterium polarności wiązania]]
+* [[Spektroskopowe kryterium polarności wiązania]]
 {{Przypisy}}
 [[Kategoria:Promieniowanie]]