拉曼效应
拉曼散射（Raman scattering），也称拉曼效应（英语：Raman effect），为一种光子的非弹性散射现象，1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。
当光子打到直径大于自己波长的粒子时，会与其碰撞，导致行径方向偏折。其中多数的光子，都是发生弹性碰撞，故散射出来的光子，跟射入前的光子，波长、频率与能量相同，称为瑞利散射。然而，有一小部分散射的光子（约千万分之一）和介质分子之间发生非弹性碰撞，出现能量交换，故散射后的波长、频率与能量会产生变化，称为拉曼散射。
拉曼散射可依光子在碰撞过程中的能量变化分为两类：
1. 斯托克斯散射:材料吸收能量，导致散射光子能量低于入射光子，为多数情况。
2. 反斯托克斯散射:材料失去能量，导致散射光子能量高于入射光子，为少数情况。
拉曼效应以印度科学家钱德拉塞卡拉·拉曼 (C. V. Raman) 的名字命名，他于1928年在学生 K. S. Krishnan 的帮助下发现了拉曼效应。拉曼因发现拉曼散射而荣获1930年诺贝尔物理学奖。 奥地利理论物理学家Adolf Smekal于1923年从理论上预测了这种效应。
历史
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19世纪描述了一种称为瑞利散射的弹性光散射现象，其中光保留其能量。与激发源的强度相比，瑞利散射的强度约为10−3至10−4。[1] 1908年，发现了另一种形式的弹性散射，称为米氏散射。
光的非弹性散射是由阿道夫·斯梅卡尔（Adolf Smekal）在1923年预言的，[2]在较旧的德文文献中，它被称为“斯梅卡尔-拉曼效应” (Smekal-Raman-Effekt)。[3] 1922年，印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼发表了关于 《光的分子衍射》的研究成果，这是他与合作者进行的一系列研究的第一个项目，最终（1928年2月16日）他发现了以自己名字命名的辐射效应。拉曼效应最早由拉曼和他的同事 K. S. 克里希南 (K. S. Krishnan) 首次报道，[4]并由格里戈里·兰德斯伯格 (Grigory Landsberg) 和列昂尼德·曼德尔施塔姆 (Leonid Mandelstam) 于1928年2月21日在莫斯科独立报道（拉曼和克里希南报告后5天）。在前苏联，拉曼的贡献一直备受争议；因此在俄罗斯的科学文献中，此效应通常被称为“组合散射”或“组合性散射”。拉曼因其在光散射方面的研究成果而于1930年获得诺贝尔奖。[5]
应用
[编辑]拉曼光谱学利用拉曼效应进行物质分析。拉曼散射光的光谱取决于存在的分子组成及其状态，使得光谱可用于材料识别和分析。拉曼光谱用于分析多种材料，包括气体、液体和固体。生物有机体和人体组织等高度复杂的材料[6]也可以透过拉曼光谱进行分析。
对于固体材料，拉曼散射被用作检测高频声子和磁振子激发的工具。
拉曼激光雷达(LiDAR)在大气物理学中用于测量大气消光系数和水蒸气垂直分布。
受激拉曼跃迁也广泛用于操纵捕获离子的能级，从而操纵基本量子比特(qubit) 状态。
拉曼光谱可用于确定不具有红外线吸收光谱的分子的力常数和键长。
拉曼放大用于光放大器。
拉曼效应也参与产生蓝天的外观（参见瑞利散射：“大气中分子氮和氧的瑞利散射包括弹性散射以及空气中旋转拉曼散射的非弹性贡献”）。
拉曼光谱已被用于透过振动标签对生物系统中的小分子（例如核酸）进行化学成像。[7]
参见
[编辑]- 布里渊散射
- 瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）
- 瑞利散射（Rayleigh scattering）
- 光学现象
- 动态光散射
- 米氏散射
- 廷得耳效应（Tyndall effect）
- 角分辨率，又称瑞利判据（Rayleigh criterion）
- 共振拉曼光谱学
- 表面增强拉曼光谱
参考资料
[编辑]- ^ Keresztury, Gábor. Raman Spectroscopy: Theory. Handbook of Vibrational Spectroscopy 1. Chichester: Wiley. 2002. ISBN 0471988472.
- ^ Smekal, A. Zur Quantentheorie der Dispersion. Naturwissenschaften. 1923, 11 (43): 873–875. Bibcode:1923NW.....11..873S. S2CID 20086350. doi:10.1007/BF01576902.
- ^ Nature. A review of the 1931 book Der Smekal-Raman-Effekt. Nature. 19 December 1931, 128 (3242): 1026. S2CID 4125108. doi:10.1038/1281026c0
.
- ^ Raman, C. V. A new radiation. Indian Journal of Physics. 1928, 2: 387–398. hdl:10821/377.
Inaugural Address delivered to the South Indian Science Association on Friday, the 16th March, 1928
- ^ Singh, R. C. V. Raman and the Discovery of the Raman Effect. Physics in Perspective. 2002, 4 (4): 399–420. Bibcode:2002PhP.....4..399S. S2CID 121785335. doi:10.1007/s000160200002.
- ^ Painless laser device could spot early signs of disease. BBC News. 27 September 2010.
- ^ Wei, Lu; Hu, Fanghao; Chen, Zhixing; Shen, Yihui; Zhang, Luyuan; Min, Wei. Live-Cell Bioorthogonal Chemical Imaging: Stimulated Raman Scattering Microscopy of Vibrational Probes. Accounts of Chemical Research. 2016-08-16, 49 (8): 1494–1502. ISSN 0001-4842. PMC 5704954 . PMID 27486796. doi:10.1021/acs.accounts.6b00210 （英语）.
外部链接
[编辑]- Explanation from Hyperphysics in Astronomy section of gsu.edu （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Raman Spectroscopy - Tutorial
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