פיזור ראמאן

פיזור רמאן (הגייה:[rə.mən]) הוא פיזור לא אלסטי של אור מחומר. תופעה זו התגלתה על ידי ונקאטה רמאן בנוזלים ועל ידי גריגורי לנסברג ולאוניד מנדלשטאם בגבישים.

כאשר אור מפוזר מחומר, רובו מפוזר בצורה אלסטית (פיזור ריילי) זאת אומרת שתדירותו וכן אורך הגל, אינם משתנים, ומכאן שלפוטונים המפוזרים אנרגיה זהה לפני ולאחר הפיזור. לעומת זאת בקירוב אחד ל-10 מיליון פוטונים מפוזר בצורה לא אלסטית בה מתבצעת החלפת אנרגיה עם החומר. הפרש האנרגיות בין הפוטון המקורי לפוטון המפוזר מספק מידע לגבי דרגות החופש הפנימיות של החומר (רוטאציות, ויברציות וכן רמות אלקטרוניות).

בשנת 1922, הפיזיקאי ההודי צ'נדרסקהארה ונקאטה רמאן פרסם את עבודתו על "נפיצה מולקולארית של אור", מאמר ראשון בסדרה בה הוצג מחקרם שלו ושל עמיתיו שהוביל לבסוף (28 בפברואר 1928) לגילוי האפקט הקרינתי שעל שמו. בשנת 1930 זכה רמאן בפרס נובל בפיזיקה על עבודתו. בשנות ה-30 של המאה ה-20 הציג ג'ורג' פלאצ'ק חישובים תאורטיים יסודיים המאפשרים לחשב את מידת הפעילות של אופני-תנודה (modes) שונים. מקדמי פלאצ'ק, הקרויים על שמו נמצאים גם כיום בשימוש נרחב למטרה זו.

פיזור סטוקס ואנטי-סטוקס

מעברי הרמות בפיזור רמאן.
פיזור ריילי: פוטון מערר את המערכת למצב וירטואלי ונפלט ללא שינוי בתדירותו.
פיזור סטוקס: פוטון מערר את המערכת ממצב היסוד למצב וירטואלי ונפלט תוך איבוד אנרגיה מתאימה להפרש אנרגיות שני מצבים עצמיים.
פיזור אנטי-סטוקס:פוטון מערר את המערכת ממצב מעורר לרמה וירטואלית ונפלט תוך רכישת האנרגיה של המצב המעורר ביחס למצב היסוד

אילוסטרציה של ספקטרום רמאן

הפוטון שמפוזר מהחומר יכול לאבד אנרגיה לחומר או לקחת ממנו אנרגיה (בהנחה שהאטומים או המולקולות של החומר מצויים במצב מעורר), בהתאם להתפלגות האנרגיה בחומר (הטמפרטורה שלו). פיזור בו פוטון מפסיד אנרגיה לחומר נקרא פיזור סטוקס, על-שם ג'ורג' סטוקס. בפיזור זה לפוטון החדש אורך גל ארוך יותר ותדירות קטנה יותר מהפוטון המקורי. פיזור בו הפוטון לוקח אנרגיה מהחומר נקרא פיזור אנטי-סטוקס ובו לפוטון החדש אורך גל קצר יותר ותדירות גבוהה יותר מאשר הפוטון המקורי (ראו איור). רכיב הקרינה שפוזר ללא שינוי תדירות נקרא פיזור ריילי.

לרוב ניתן על פי יחס עוצמות הפיזור של האנטי-סטוקס מול הסטוקס להפיק מידע על הטמפרטורה של החומר לפי הסטטיסטיקה של הקוואזי חלקיק העובר אינטראקציה עם הפוטון:

${\frac {\ N_{1}}{N_{0}}}={\frac {\ g_{1}}{g_{0}}}e^{-{\frac {\Delta E_{v}}{kT}}}$

כאשר:

N_{0}

: מספר החלקיקים במצב האנרגטי הנמוך (לא מעוררים).

N_{1}

: מספר החלקיקים במצב האנרגטי הגבוה (מעוררים).

g_{0}

: הניוון של המצב האנרגטי הנמוך.

g_{1}

: הניוון של המצב האנרגטי הגבוה.

\Delta E_{v}

: הפרש האנרגיות בין שני המצבים.

k: קבוע בולצמן.

T: טמפרטורה (במעלות קלווין).

כפי שמודגם באיור, עוצמת קווי האנטי סטוקס חלשה מזו של קווי הסוטקס. לפי הנוסחה, ככל שהפרש האנרגיות בין שני המצבים קטן יותר, העוצמה היחסית של קווי האנטי סטוקס גדולה יותר.