3. 2. 9 Комбінаційне розсіювання світла

У 1928 р. радянські фізики Л. І. Мандельштам (1879-1944) і І. С. Ландсберг (1890-1957) і одночасно індійські вчені Ч. В. Раман (1888-1970) і К. С. Крішнан (1898-1961) відкрили нове явище, згодом назване комбінаційним розсіюванням світла (у зарубіжній літературі – ефектом Рамана).

Рис. 3. 21

Суть цього явища полягає у тому, що в спектрі розсіяного світла, яке виникає під час проходження світла крізь прозорі речовини (гази, рідини, кристалічні тіла), крім незміщеної лінії падаючого світла частоти , з’являються системи ліній змінної частоти , названі супутниками (рис 3.21). Положення їх залежить від структури молекул речовини, в якій розсіюється світло.

Частоти, що відповідають цим лініям, є комбінацією частот падаючого світла і коливальних або обертальних переходів розсіювальних молекул:

. (3.66)

У разі переходу від однієї лінії спектра первинного пучка до іншої сукупність значень (=1, 2, 3, …) залишається однаковою.

Кожному супутнику з частотою -, зміщеному в бік червоних променів спектра, відповідає супутник з частотою +, зміщений у бік фіолетових променів спектра. Перші супутники називають червоними або стоксовими , другі – фіолетовими , або антистоксовими.

Інтенсивність фіолетових супутників значно менша за інтенсивність відповідних їм червоних. У міру підвищення температури речовини інтенсивність фіолетових супутників зростає, а червоних – зменшується.

Явище комбінаційного розсіювання світла та його закони можна пояснити на основі квантової теорії так. За нормальних температур молекули речовини можуть знаходитися на різних вихідних (коливальних, обертальних) енергетичних рівнях . Якщо на речовину падає світло з частотою хвилі , то деякі фотони поглинаються молекулами, при цьому енергія молекули зростатиме на величину енергії фотона . Ці стани молекул не стійкі, тому через деякий час молекули повертатимуться на нижчий енергетичний рівень, випромінюючи фотони. Енергія фотонів залежить від того, з якого збудженого енергетичного рівня і на який вихідний енергетичний рівень переходить молекула.

Нехай молекула, яка знаходиться на енергетичному рівні (=1,2,3,…) поглинає фотон з енергією . При цьому вона переходить в інший квантовий стан. У цьому стані її енергія . Розглянемо два процеси.

1. Молекула переходить з рівня на рівень . У цьому процесі випромінюється фотон з енергією . Отже, в спектрі розсіяного світла завжди буде лінія, яка відповідає частоті падаючого світла .

2. Молекула переходить з рівня на один з вихідних рівнів і випромінює при цьому фотон з енергією . Запишемо для цього процесу закон збереження енергії і знайдемо частоту випроміненого фотона: , звідки

. (3. 67)

Якщо >, то частота розсіяного фотона більша, ніж падаючого, тобто в розсіяному світлі виникне фіолетовий супутник, якщо <, то червоний.

Наявність червоних і фіолетових супутників різних інтенсивностей пояснюється тим, що за невисоких температур число молекул, які знаходяться на вищому енергетичному рівні менше, ніж тих, що знаходяться на нижчому енергетичному рівні . Справді, за теплової рівноваги згідно з формулою Больцмана

, (3.68)

де і — відповідно числа молекул на рівнях і , бачимо, що за > числа <. Тому ймовірність поглинання фотона за одиницю часу молекулами з вихідним рівнем енергії більша, ніж молекулами з вихідним рівнем енергії . Відповідно і число квантів, випромінених за одиницю часу з частотою - буде більшою, ніж із частотою +. Цим і пояснюється різна інтенсивність червоних і фіолетових супутників.

З підвищенням температури, згідно з (3. 68), зростатиме, а — зменшуватиметься.

Комбінаційне розсіювання світла – ефективний метод вивчення власних частот коливань у складних багатоатомних молекулах, особливо в молекулах органічних сполук. За його допомогою одержано важливі дані про структуру складних вуглеводнів, зокрема про компоненти рідкого палива.