31.7. Комбінаційне розсіювання світла

В §28.4 було розглянуто явище класичного (релеївського) розсіювання світла, яке спостерігається при проходженні світла через оптично неоднорідне середовище, показник заломлення якої випадково змінюється в просторі. Найбільш характерною рисою релеївського розсіювання є рівність довжини хвилі падаючого та розсіяного світла.

В 1928 р. Г. С. Ландсберг і Л. І. Мандельштам (колишній СРСР) і незалежно від них Ч. В. Раман і К. С. Кришна відкрили нове явище, яке полягає в тому, що при пропусканні монохроматичного світла із частотою ν₀ через оптично однорідне середовище виникає розсіювання зі зміненим спектральним складом: у спектрі розсіяного випромінювання крім лінії із частотою ₀ з'являється ряд додаткових ліній–супутників, розташованих симетрично щодо центральної лінії, частота якої збігається із частотою ₀ падаючого випромінювання (рис. 31.7). Це явище одержало назву комбінаційного розсіювання світла. Лінії із частотами  >₀ називаються фіолетовими супутниками, а лінії із частотами  < ₀ — червоними. Дослід показує, що інтенсивність червоних супутників значно більша інтенсивності фіолетових.

Рис. 31.7

Явище комбінаційного розсіювання світла можна пояснити на основі квантових уявлень про природу світла та дискретний характер енергетичних станів молекули. Процес взаємодії фотона з молекулою можна розглядати як процес їх пружного або непружного зіткнення. У результаті пружного зіткнення енергії фотона й молекули залишаються незмінними, що приводить до появи в спектрі комбінаційного розсіювання центральної незміщеної лінії із частотою _0.

Рис.31.8

Розглянемо тепер процеси непружного зіткнення, у результаті яких енергія фотона й молекули змінюється. Монохроматичне випромінювання, застосовуване для спостереження комбінаційного розсіювання світла, лежить в області прозорості речовини, тому енергії фотона h недостатньо для переведення молекули в збуджений електронний стан. У зв'язку із цим при непружному зіткненні фотона й молекули можливо лише зміна коливальної або обертальної енергії молекули. Якщо молекула спочатку перебувала на деякому збудженому коливальному рівні енергії , то при непружному зіткненні з фотоном енергії h₀, вона може віддати йому надлишок коливальної енергії, перейшовши на більш низький коливальний рівень – рис.31.8, а. При цьому утвориться розсіяний фотон з енергією

,

де . Такий процес приводить до виникнення фіолетового супутника, частота якого _ф=₀+W_кол/h.

Можливий також процес, при якому в результаті непружного зіткнення фотон віддасть частину своєї енергії молекулі рис.31.8, б. При цьому молекула виявляється на більш високому коливальному рівні енергії, а енергія фотона зменшується — виникає червоний супутник із частотою .

Процеси пружного зіткнення фотона з молекулою характеризуються ймовірністю, яка значно перевищує відповідні ймовірності непружних зіткнень, тому в спектрі комбінаційного розсіювання центральна лінія найбільш інтенсивна.

Інтенсивність фіолетових супутників зростає з підвищенням температури, оскільки при нагріванні речовини зростає число молекул, що перебувають у збудженому коливальному стані. Однак навіть при високих температурах число таких молекул значно менше числа молекул, що перебувають в основному стані. Тому зіткнення фотонів зі збудженими молекулами відбуваються значно рідше в порівнянні з незбудженими. Цим пояснюється мала інтенсивність фіолетових супутників у порівнянні із червоними. Відзначимо також, зміна температури мало впливає на число незбуджених молекул, тому інтенсивність червоних супутників практично не залежить від температури.

Зсув частоти між лініями – супутниками й основною лінією комбінаційного розсіювання збігається із частотами коливального спектра молекул, що дозволяє без допомоги спеціальної інфрачервоної апаратури проводити дослідження коливальних спектрів молекул, виконуючи вимірювання у видимій частині спектра.