2.3. Комбинационное рассеяние света

Рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся изменением его частоты, называют комбинационным рассеянием света.

Комбинационное рассеяние света исследовали Рамон, Мандельштам, Ландсберг, Кришнан и др.

В отличие от рэлеевского, при комбинационном рассеянии света в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре падающей волны.

Число и расположение возникающих линий определяется молекулярным строением вещества.

При комбинационном рассеянии света изменение частоты падающего излучения сопровождается переходом рассеиваемых молекул на другие колебательные или вращательные уровни.

Комбинационное рассеяние света с изменением электронного состояния молекул наблюдается в небольшом числе случаев.

В отличие от люминесценции, при комбинационном рассеянии света система под действием кванта с энергией  = h не переходит в возбужденное электронное состоянии.

Поэтому энергия  = h падающего кванта может быть значительно меньше энергии  = h_е кванта, способного перевести молекулу из основного электронного состояния W_e0 в возбужденное электронное состояние W₁₀ (рис. 7, а).

Рис. 7

Комбинационное рассеяние света, возникающее при переходе молекул из невозбужденного колебательного состояния, с колебательным квантовым числом v = 0, в возбужденное состояние с колебательным квантовым числом v = 1, v = 2 и т. д., называют стоксовым комбинационным рассеянием света (рис. 7, б).

Если же молекула до воздействия света находилась в возбужденном состоянии, например, характеризуемом v = 1, то при комбинационном рассеянии света она может перейти в невозбужденное колебательное состояние с v = 0.

Причем энергия рассеянного светового кванта

h^** > h

 антистоксово комбинационное рассеяние света (рис.7, в).

Все сказанное относится и к комбинационному рассеянию света

с изменением вращательного состояния молекулы, характеризующегося вращательными квантовыми числами.

Соотношения между энергиями падающего и рассеянного фотонов в случае стоксова комбинационного рассеяния света имеет вид

h^* = h  h_к, (6)

а в случае антистоксова комбинационного рассеяния света 

h^** = h + h_к, (7)

где h_к представляет собой энергию возбужденного колебательного (или вращательного) состояния молекулы.

Таким образом, при прохождении излучения сквозь вещество может наблюдаться рассеяние трех видов: когерентное рассеяние без изменения длины волны; рассеяние с потерей энергии, часть которой идет на возбуждение лучеиспускания рассеивающим веществом; рассеяние с увеличением энергии рассеянных фотонов (комбинационное рассеяние света).

Рис. 8

Квантовая теория объяснила различие интенсивности стоксовых и антистоксовых линий комбинационного рассеяния света.

Если в веществе имеется ряд собственных частот ₁, ₂, ₃, ... , колебаний молекул, то в спектре рассеянного света появляется набор комбинационных частот: ₀  ₁, ₀  ₂, ₀  ₃, ... .

Спектры комбинационного рассеяния света получают с помощью специальной оптической установки, в которой падающий пучок света концентрируют на излучаемом веществе.

В качестве источника света используют лазер.

Рассеянный свет наблюдается под углом рассеяния  = 90⁰ к направлению падающего пучка света (рис. 8), где Л  лазер; К  кювета с рассеивающим веществом или кристалл; N  призма Николя;  электрический вектор падающей световой волны;  индуцированный дипольный момент.

Под действием на рассеивающую среду мощного лазерного излучения свойства среды изменяются так, что в ней возникает вынужденное комбинационное рассеяние света.

Закономерности комбинационного рассеяния света используют в молекулярном спектральном анализе при изучении спектров сложных молекул, в том числе и органических соединений.