Raman-vaikutuksen fysiikka

Raman-vaikutus, muutos valon aallonpituudessa, joka tapahtuu, kun molekyylit taiputtavat valonsäteen. Kun valonsäde kulkee pölyttömän, läpinäkyvän näytteen kemiallisesta yhdisteestä, pieni osa valosta tulee muihin suuntiin kuin tulevan (tulevan) säteen suuntaan. Suurin osa hajallaan olevasta valosta on muuttumaton aallonpituus. Pienen osan aallonpituudet ovat kuitenkin erilaiset kuin tulevan valon; sen läsnäolo on seurausta Raman-vaikutuksesta.

Ilmiö on nimetty intialaiselle fyysikolle Sir Chandrasekhara Venkata Ramanille, joka julkaisi ensimmäiset havainnot vaikutuksesta vuonna 1928. (Itävaltalainen fyysikko Adolf Smekal kuvasi vaikutuksen teoreettisesti vuonna 1923. Venäläiset fyysikot Leonid Mandelstam ja Grigory havaitsivat sen ensimmäisen kerran vain viikkoa ennen Ramania. Landsberg; he kuitenkin julkaisivat tuloksensa vasta kuukausia Ramanin jälkeen.)

Ramanin sironta on kenties helpoimmin ymmärrettävää, jos tulevan valon katsotaan koostuvan hiukkasista tai fotoneista (energian suhteessa taajuuteen), jotka lyövät näytteen molekyylejä. Suurin osa kohtaamisista on joustavia, ja fotonit ovat hajallaan muuttumattoman energian ja taajuuden kanssa. Joissakin tapauksissa molekyyli kuitenkin kuluttaa energiaa fotoneista tai luovuttaa energiaa fotoneille, jotka ovat siten hajallaan vähentyneen tai lisääntyneen energian kanssa, jolloin matalammalla tai korkeammalla taajuudella. Taajuudensiirrot ovat siten mitat niiden energiamäärien suhteen, jotka liittyvät siirtymiseen sirontamolekyylin alkutilan ja lopputilan välillä.

Raman-vaikutus on heikko; nestemäiselle yhdisteelle vahingoittuneen valon voimakkuus voi olla vain 1/100 000 kyseisestä tulevasta säteestä. Raman-viivojen malli on ominaista tietylle molekyylilajille, ja sen intensiteetti on verrannollinen sirontamolekyylien lukumäärään valopolulla. Siten Raman-spektriä käytetään kvalitatiivisessa ja kvantitatiivisessa analyysissä.

Raman-taajuuden siirtymiä vastaavien energioiden havaitaan olevan energioita, jotka liittyvät siirtymiin sirontamolekyylin eri kierto- ja värähtelytilojen välillä. Puhtaat kiertovaihteet ovat pieniä ja niitä on vaikea havaita, paitsi yksinkertaisten kaasumaisten molekyylien muutokset. Nesteissä pyörimisliikkeet ovat estettyjä, eikä erillisiä pyörivää Raman-viivaa löydy. Suurin osa Ramanin työstä liittyy värähtelysiirtymiin, jotka antavat suuremmat muutokset havaittavissa kaasuille, nesteille ja kiinteille aineille. Kaasuilla on alhainen molekyylipitoisuus tavanomaisissa paineissa, ja siksi ne tuottavat erittäin heikkoja Raman-vaikutuksia; siten nesteitä ja kiinteitä aineita tutkitaan useammin.