Ramano sklaida

Ramano sklaida – neelastinė šviesos sklaida vidiniuose molekulių virpesiuose[1].

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.[2][3]

IstorijaKeisti

Ramano sklaidos reiškinys buvo teoriškai apskaičiuotas 1923 m. austrų fiziko A. Smekalos (A. Smekal). Ramano sklaida pirmą kartą eksperimentiškai pastebėta 1928 m. indų fiziko C. V. Ramano (C. V. Raman), kurio vardu reiškinys ir buvo pavadintas.[4].

TeorijaKeisti

Šioje dalyje aprašomi pagrindiniai spontaninės Ramano sklaidos teorijos principai.

Molekuliniai virpesiaiKeisti

Ramano sklaidos matavimai duoda informacijos apie molekulės virpesius. Tiriant Ramano sklaidą dujose, galima gauti informacijos ir apie molekulės rotacinius judesius.[5]

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.[4]

Ramano sklaidaKeisti

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

 

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

 

Pagal šią funkciją matoma, kad indukuotas dipolinis momentas   taip pat yra funkcija, kuri periodiškai priklauso nuo laiko.

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

 

Tada, pagal elektrinio lauko funkciją ir indukuoto dipolinio momento   sąryšį su elektrinio lauko stipriu, gauname indukuoto dipolinio momento formulę:

 

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

 

Iš šios formulės matoma, kad molekulėje indukuotas dipolinis momentas kinta dažniais  ,   ir  . Pirmasis narys formulėje aprašo nepakitusio dažnio Reilėjaus sklaidą, antrasis narys nusako Ramano anti-Stokso sklaidą, o trečiasis – Ramano Stokso sklaidą.[6][7]

Kiti Ramano sklaidos tipaiKeisti

  • Rezonansinė Ramano sklaida [8]
  • Paviršiaus sustiprinta Ramano sklaida[8]
  • Netiesinė Ramano sklaida [4]
    • Hiper-Ramano sklaida
    • Priverstinė Ramano sklaida
    • Koherentinė anti-Stokso Ramano sklaida
    • Atvirkštinė Ramano sklaida

PanaudojimasKeisti

Pagrindinis straipsnis – Ramano spektroskopija.

Ramano spektroskopija veikia Ramano sklaidos pagrindu. Ramano spektroskopija naudojama identifikuoti molekules pagal jų virpesines arba rotacines modas. Šis metodas plačiai naudojamas chemijoje, biomedicinoje, agrikultūroje[9] ir maisto moksle.[10]

ŠaltiniaiKeisti

  1. Šalna, Vaidutis Antanas (2003). Optika. ISBN 9986-433-33-9.
  2. Lewis, Ian R. (2001). Handbook of Raman Spectroscopy (anglų k.). ISBN 0-8247-0557-2.
  3. McCreery, Richard L. (2000). Raman Spectroscopy for Chemical Analysis (anglų k.). ISBN 0-471-25287-5.
  4. 4,0 4,1 4,2 Šablinskas, V., Čeponkus, J. (2014). Modernioji molekulių virpesinė spektrometrija.
  5. Weber, Alfons (2006). „Raman Spectroscopy of Gases“. Handbook of Vibrational Spectroscopy (anglų k.). doi:10.1002/0470027320.s0105m. 
  6. Long, Derek A. (2002). The Raman Effect: a unified treatment of the theory of Raman scattering by molecules (anglų k.). ISBN 0-471-49028-8.
  7. Wartewig, Siegfried (2003). IR and Raman Spectroscopy (anglų k.). ISBN 3-527-30245-X.
  8. 8,0 8,1 Smith, Ewen, Dent, Geoffrey (2005). Modern Raman Spectroscopy - A Practical Approach (anglų k.). ISBN 0-471-49668-0.
  9. Salzer, Reiner, Siesler, Heinz W. (2009). Infrared and Raman Spectroscopic Imaging (anglų k.). ISBN 978-3-527-31993-0.
  10. Jin, Huaizhou; Lu, Qipeng; Chen, Xingdan; Ding, Haiquan; Gao, Hongzhi; Jin, Shangzhong (2016). „The use of Raman spectroscopy in food processes: A review“. Applied Spectroscopy Reviews (anglų k.). doi:10.1080/05704928.2015.1087404.