8.4. Комбинационное рассеяние света

В 1928 г. советские ученые Г.С. Ландсберг и Л.И. Мандельштам и одновременно индийские физики Ч. Раман и К. Кришнан обнаружили, что в спектре рассеяния, возникающем при прохождении света через газы, жидкости или прозрачные кристаллические тела, помимо несмещенной линии с частотой падающего света могут содержаться новые линии, частоты которых представляют комбинации частоты падающего света  и частоты , колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:

Это явление получило название комбинационного (рамановского) рассеяния света, и за его открытие Раман был удостоен в 1930 г. Нобелевской премии.

Из рис. 8.9 видно, что спектр комбинационного рассеяния состоит из несмещенной линии , симметрично которой располагается ряд спутников. Каждому «красному» спутнику (то есть спутнику, смещенному в сторону больших длин волн) с частотой  (стоксовы линии), соответствует «фиолетовый» спутник с частотой  (антистоксовы линии).

Рис. 8.9. Спектр комбинационного рассеяния

При обычных температурах интенсивность фиолетовых спутников значительно меньше, чем красных. С увеличением температуры интенсивность фиолетовых спутников быстро возрастает.

Процесс рассеяния света в рамках квантовой теории можно рассматривать как соударение фотонов с молекулами (упругое и неупругое). При соударении фотон может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней. Рассеяние фотона с энергией  может сопровождаться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнями  и т. д. Если при столкновении с фотоном молекула переходит из состояния с энергией  в состояние с энергией  (причем ), то энергия фотона после рассеяния уменьшается:

где

то есть возникает красный спутник в спектре.

Если же первоначально молекула находилась в возбужденном состоянии с энергией , она может в результате взаимодействия с фотоном перейти в состояние с энергией , отдав избыток энергии фотону. В результате этого энергия фотона увеличивается:

то есть возникает фиолетовый спутник. Таким образом, может возникнуть ряд симметрично расположенных спутников.

При обычных температурах число молекул, находящихся в основном состоянии, намного превосходит число молекул, находящихся в возбужденных состояниях. Поэтому столкновения, сопровождающиеся увеличением энергии молекулы, происходят чаще, чем переходы, сопровождающиеся уменьшением энергии. Этим объясняется большая интенсивность красных спутников по сравнению с фиолетовыми. При увеличении температуры число молекул в возбужденных энергетических состояниях быстро растет, что обусловливает увеличение интенсивности фиолетовых спутников.

Следует отметить, что комбинационное рассеяние относится к числу нелинейных эффектов квантовой теории излучения. Оно стало эффективным методом исследования строения молекул и их взаимодействия со средой. Методами комбинационного рассеяния изучают квазичастицы в твердом теле. Применение лазеров в качестве источников света значительно расширило круг объектов (газы, порошки), доступных для исследования методами комбинационного рассеяния света.