Fizika Ramanovega učinka

Ramanov učinek, sprememba valovne dolžine svetlobe, ki se pojavi, ko svetlobni žarek odbije molekule. Ko žarek svetlobe prečka prozoren vzorčni del kemične spojine, ki ne vsebuje prahu, se majhen del svetlobe pojavi v drugih smerih, ki niso vpadljivega (prihajajočega) žarka. Večina te razpršene svetlobe je nespremenjena valovna dolžina. Majhen del pa ima valovne dolžine, drugačne od dolžine vpadne svetlobe; njegova prisotnost je posledica Ramanovega učinka.

Pojav je poimenovan po indijskem fiziku Sir Chandrasekhara Venkata Raman, ki je opažanja učinka prvič objavil leta 1928. (Avstrijski fizik Adolf Smekal je učinek teoretično opisal leta 1923. Prvič so ga le teden dni pred Ramanom opazili ruski fiziki Leonid Mandelstam in Grigory Landsberg, vendar so svoje rezultate objavili šele mesece po Ramanu.)

Ramanovo razprševanje je morda najlažje razumljivo, če štejemo, da je vpadna svetloba sestavljena iz delcev ali fotonov (z energijo, sorazmerno s frekvenco), ki udarijo v molekule vzorca. Večina srečanj je elastičnih, fotoni pa so raztreseni z nespremenjeno energijo in frekvenco. Včasih pa molekula zavzame energijo iz fotona ali odda energijo, ki se s tem razprši z zmanjšano ali povečano energijo, torej z nižjo ali višjo frekvenco. Frekvenčni premiki so torej meritve količine energije, vključene v prehod med začetnim in končnim stanjem molekule sipanja.

Ramanov učinek je slaboten; pri tekoči spojini je lahko intenziteta prizadete svetlobe le 1 / 100.000 tega snopa. Vzorec ramanskih linij je značilen za posamezne molekularne vrste, njegova intenzivnost pa je sorazmerna s številom razpršenih molekul na poti svetlobe. Tako se Ramanovi spektri uporabljajo v kvalitativni in kvantitativni analizi.

Energije, ki ustrezajo Ramanovim frekvenčnim premikom, so energije, povezane s prehodi med različnimi rotacijskimi in vibracijskimi stanji molekule razpršitve. Čisti rotacijski premiki so majhni in jih je težko opaziti, razen tistih iz preprostih plinastih molekul. V tekočinah so ovirani rotacijski gibi, diskretnih rotacijskih Ramanovih črt ne najdemo. Večina ramanskih del se ukvarja z vibracijskimi prehodi, ki povzročajo večje premike, opazne za pline, tekočine in trdne snovi. Plini imajo pri običajnih tlakih nizko molekulsko koncentracijo in zato povzročajo zelo rahle Ramanove učinke; zato se tekočine in trdne snovi pogosteje preučujejo.