Ramano sklaida

Ramano sklaida – neelastinė šviesos sklaida vidiniuose molekulių virpesiuose.

Apšvietus medžiagą šviesos pluoštu yra tam tikra tikimybė, jog šviesa bus išsklaidyta. Kai šviesos pluoštas išsklaidomas, didžioji dalis fotonų yra išsklaidomi elastiškai (Reilėjaus sklaida), jų energija (dažnis, bangos ilgis) išlieka tokia pati kaip ir medžiagą apšvietusių fotonų. Ramano sklaidos atveju, išsklaidytos šviesos fotonai yra mažesnės (Ramano Stokso sklaida) arba didesnės (Ramano anti-Stokso sklaida) energijos už apšvietusios šviesos fotonus.

Istorija

Ramano sklaidos reiškinys buvo teoriškai apskaičiuotas 1923 m. austrų fiziko A. Smekalos (A. Smekal). Ramano sklaida pirmą kartą eksperimentiškai pastebėjo 1928 m. fizikas Čandrasekhara Venkata Ramanas, kurio vardu reiškinys ir buvo pavadintas.

Teorija

Šioje dalyje aprašomi pagrindiniai spontaninės Ramano sklaidos teorijos principai.

Molekuliniai virpesiai

Ramano sklaidos matavimai duoda informacijos apie molekulės virpesius. Tiriant Ramano sklaidą dujose, galima gauti informacijos ir apie molekulės rotacinius judesius.

Klasikinėje mechanikoje yra įrodoma, kad bet kokios molekulės laisvės laipsnių skaičius yra 3N. Laisvės laipsniai yra nepriklausomi parametrai, kurie nusako molekulės padėtį erdvėje. Molekulėje 3N laisvės laipsniai susideda iš slenkamojo judesio, rotacinių ir virpesinių laisvės laipsnių. Slenkamojo judesio laisvės laipsnių skaičius yra 3, nes jį nusako Dekarto koordinatės x, y ir z. Molekulės rotacinių laisvės laipsnių skaičius taip pat yra 3. Likusieji 3N-6 laisvės laipsniai yra virpesiniai laisvės laipsniai. Šie 3N-6 nepriklausomi virpesiai yra vadinami molekulės normaliaisiais virpesiais. Išimtis taikoma tiesinėms molekulėms, kurios turi 3N-5 virpesinius laisvės laipsnius.

Ramano sklaida

Molekulė, patekusi į monochromatinės elektromagnetinės bangos kintantį elektrinį lauką, poliarizuojasi. Indukuotas dipolinis momentas yra proporcingas elektrinio lauko stipriui sąryšiu:

${\vec {\mu _{ind}}}=\alpha {\vec {E}}$

Čia $\alpha$ yra molekulės poliarizuojamumas. Elektromagnetinės bangos sukurto elektrinio lauko stipris tam tikrame fiksuotame erdvės taške yra aprašomas funkcija, kuri periodiškai priklauso nuo laiko:

${\vec {E}}={\vec {E_{0}}}\cos(2\pi {\nu _{0}}t)$

Pagal šią funkciją matoma, kad indukuotas dipolinis momentas ${\vec {\mu _{ind}}}$ taip pat yra funkcija, kuri periodiškai priklauso nuo laiko.

Jeigu molekulės virpesių amplitudė maža, poliarizuojamumas $\alpha$ gali būti išskleistas Teiloro eilute:

$\alpha ={\alpha _{0}}+{\left({\frac {d\alpha }{dx}}\right)_{e}}x+{\frac {1}{2}}{\left({\frac {d^{2}\alpha }{dx^{2}}}\right)_{e}}x^{2}+\ldots$

Tada, pagal elektrinio lauko funkciją ir indukuoto dipolinio momento ${\mu _{ind}}$ sąryšį su elektrinio lauko stipriu, gauname indukuoto dipolinio momento formulę:

$\mu _{ind}=\left[{\alpha _{0}}+{\left({\frac {d\alpha }{dx}}\right)_{e}}x_{0}\cos(2\pi {\nu _{v}}t+\phi )\right]E_{0}\cos(2\pi {\nu _{0}}t)$

Šioje formulėje yra atmesti aukštesnės eilės Teiloro eilutės nariai iš poliarizuojamumo. Toliau atliekant matematinius veiksmus šioje formulėje, gaunama nauja indukuoto dipolinio momento formulė:

$\mu _{ind}=\alpha _{0}E_{0}\cos(2\pi {\nu _{0}}t)+{\left({\frac {d\alpha }{dx}}\right)_{e}}x_{0}E_{0}\cos 2\pi \left[\left({\nu _{0}}+{\nu _{v}}\right)t+{\phi _{0}}\right]+{\left({\frac {d\alpha }{dx}}\right)_{e}}x_{0}E_{0}\cos 2\pi \left[\left({\nu _{0}}-{\nu _{v}}\right)t+{\phi _{0}}\right]$

Iš šios formulės matoma, kad molekulėje indukuotas dipolinis momentas kinta dažniais $\nu _{0}$, $\left(\nu _{0}+\nu _{v}\right)$ ir $\left(\nu _{0}-\nu _{v}\right)$. Pirmasis narys formulėje aprašo nepakitusio dažnio Reilėjaus sklaidą, antrasis narys nusako Ramano anti-Stokso sklaidą, o trečiasis – Ramano Stokso sklaidą.

Kiti Ramano sklaidos tipai

• Rezonansinė Ramano sklaida
• Paviršiaus sustiprinta Ramano sklaida
• Netiesinė Ramano sklaida
  • Hiper-Ramano sklaida
  • Priverstinė Ramano sklaida
  • Koherentinė anti-Stokso Ramano sklaida
  • Atvirkštinė Ramano sklaida

Panaudojimas

Ramano spektroskopija veikia Ramano sklaidos pagrindu. Ramano spektroskopija naudojama identifikuoti molekules pagal jų virpesines arba rotacines modas. Šis metodas plačiai naudojamas chemijoje, biomedicinoje, agrikultūroje ir maisto moksle.