Foydalanuvchi:UzMu fizika fakulteti; Yorug'likning kombinatsion sochilishi

yorug'likning tarqalishini o'rganishga imkon beradigan spektrometrli atom kuch mikroskopi

Yorug'likning kombinatsion sochilishi ( Raman effekti ) - bu nurlanish chastotaning sezilarli o'zgarishi bilan birga keladigan optik nurlanishning moddaning (qattiq, suyuq yoki gazsimon) molekulalariga elastik bo'lmagan tarqalishi. Reley sochilishidan farqli o'laroq, Ramanning tarqalishida, tarqoq nurlanish spektrida spektral chiziqlar paydo bo'ladi, ular birlamchi (hayajonli) yorug'lik spektrida mavjud emas. Ko'rinadigan chiziqlar soni va joylashuvi moddaning molekulyar tuzilishi bilan belgilanadi.

Yorug'liknik kombinatsion sochilish spektroskopiyasi (yoki Raman spektroskopiyasi) kimyoviy tahlilning samarali usuli bo'lib, moddalarning tarkibi va tuzilishini o'rganadi.

Hodisaning mohiyati

Klassik nazariya nuqtai nazaridan

Ushbu nuqtai nazar hodisaning biroz soddalashtirilgan rasmini beradi. Klassik modelda yorug'likning elektr maydoni molekulaning tushayotgan yorug'lik chastotasi bilan tebranadigan o'zgaruvchan dipol momentini keltirib chiqaradi va dipol momentining o'zgarishi, o'z navbatida, malekulaning barcha yo'nalishlarda nurlanishni keltirib chiqaradi. Klassik model, materiya bir-biridan ajratilishi mumkin bo'lgan zaryadlarni o'z ichiga oladi, lekin Kulon tortishish bilan birga harakat qiluvchi ba'zi kuchlar tomonidan birga ushlab turiladi. Modda bilan chegarada toʻlqin hosil boʻlishi bu zaryadlarning tebranishli ajralishiga olib keladi, yaʼni tebranish chastotasida nurlanadigan tebranuvchi elektr dipol paydo boʻladi. Bu radiatsiya tarqaladi. Radiatsiya intensivligining ifodasi shaklga ega

$I={\frac {16\pi ^{4}\nu ^{4}}{3c^{2}}}\left|{\vec {P}}\right|^{2}$ ,

Qayerda $E_{0}$ amplitudasi, a $t$ - vaqt. Bu maydonga joylashtirilgan diatomik malekula uchun induksiyalangan dipol moment ${\vec {P}}$ sifatida yozilgan

Yorug'lik to'lqinini intensivlikning elektromagnit maydoni sifatida ko'rib chiqing $E$ tebranish chastotasi bilan $\nu _{0}$ :

${\vec {E}}={\vec {E}}_{0}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)$ ,

va daromad

${\vec {P}}=\alpha {\vec {E}}_{0}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)\quad (1)$

Umuman olganda, qutblanish qobiliyati $\alpha$ maydonning chastotasiga bog'liq, shuning uchun statik maydon va elektromagnit nurlanish uchun u boshqacha bo'ladi. Agar dipol klassik qonunlarga muvofiq nurlansa va boshlang'ich nurlanish qutblangan bo'lsa, u holda zarralar izotropik va yo'nalishlari bo'lganligi sababli tarqalish ham qutblanishi mumkin. ${\vec {P}}$ Va ${\vec {E}}$ mos kelish. Bu Reylining tarqalishi, uning intensivligi rms qiymatiga proportsionaldir ${\vec {P}}$ . Agar molekula chastota bilan tebransa $\nu _{1}$, keyin yadrolarning siljishi $q$ (ba'zi umumlashtirilgan koordinatalar) sifatida yozish mumkin

$q=q_{0}\cos \left(2\pi \nu _{1}t\right)\quad (2)$ ,

Qayerda $q_{0}$ - tebranish amplitudasi. Kichik tebranishlar uchun $\alpha$ lineer bog'liqdir $q$, shuning uchun kengaymoqda $\alpha$ yadrolarning siljish koordinatalarida Teylor qatorida $q$ muvozanat holatiga yaqin, odatda birinchi muddat bilan chegaralanadi:

$\alpha =\alpha _{0}+\left({\frac {\partial \alpha }{\partial q}}\right)_{0}\cdot q\quad (3)$ .

Ushbu ifodada $\alpha _{0}$ muvozanat konfiguratsiyasidagi molekulaning qutblanishi, a $\left({\frac {\partial \alpha }{\partial q}}\right)_{0}$ qutblanish qobiliyatining hosilasidir $\alpha$ ofset orqali $q$ muvozanat nuqtasida. (1) tenglamaga (2) va (3) ifodalarni qo‘yib, induksiyalangan dipol momenti uchun quyidagi ifodani olamiz:

${\begin{aligned}{\vec {P}}&=\alpha {\vec {E_{0}}}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)=\\&=\alpha _{0}{\vec {E_{0}}}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)+\left({\frac {\partial \alpha }{\partial q}}\right)_{0}q_{0}{\vec {E_{0}}}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)\cos \left(2\pi \nu _{1}t\right)=\\&=\alpha _{0}{\vec {E_{0}}}\cos \left(2\pi \nu _{0}t\right)+{\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial \alpha }{\partial q}}\right)_{0}q_{0}{\vec {E_{0}}}{\Big \{}\cos {\big [}2\pi \left(\nu _{0}+\nu _{1}\right)t{\big ]}+\cos {\big [}2\pi \left(\nu _{0}-\nu _{1}\right)t{\big ]}{\Big \}}\\\end{aligned}}$ .

Birinchi atama radiatsiya chastotasi bo'lgan tebranuvchi dipolni tavsiflaydi $\nu _{0}$ (Rayleigh tarqalishi), ikkinchi atama chastotalar bilan Ramanning tarqalishini anglatadi $\nu _{0}+\nu _{1}$ (Stokesga qarshi) va $\nu _{0}-\nu _{1}$ (Stoks). Shunday qilib, molekula chastotali monoxromatik nur bilan nurlantirilganda $\nu _{0}$, induktsiyalangan elektron polarizatsiyasi natijasida u nurlanishni ham chastota bilan tarqatadi $\nu _{0}$, shuningdek, chastotalar bilan $\nu _{0}\pm \nu _{1}$ (Ramanning tarqalishi), qayerda $\nu _{1}$ tebranish chastotasi hisoblanadi.

Nomi haqida

Tasvir

Ushbu ta'sirning kelib chiqishi nurlanishning kvant nazariyasi nuqtai nazaridan eng qulay tarzda tushuntiriladi. Uning so'zlariga ko'ra, chastotali nurlanishν energiya bilan fotonlar oqimi sifatida qaraladihν, qayerdah - Plank doimiysi . Molekulalar bilan to'qnashganda fotonlar tarqaladi. Elastik sochilish holatida ular o'z energiyasini o'zgartirmasdan harakat yo'nalishidan chetga chiqadilar ( Reylning tarqalishi ). Ammo to'qnashuv paytida foton va molekula o'rtasida energiya almashinuvi sodir bo'lishi ham mumkin. Bunday holda, molekula kvantlash qoidalariga muvofiq o'z energiyasining bir qismini ham olishi va bir qismini yo'qotishi mumkin: uning energiyasi miqdorga o'zgarishi mumkin.ΔE uning ruxsat etilgan ikkita holati orasidagi energiya farqiga mos keladi. Boshqacha aytganda, qiymatΔE molekulaning tebranish va (yoki) aylanish energiyalarining o'zgarishiga teng bo'lishi kerak. Agar molekula energiyaga ega bo'lsaΔE, keyin sochilganidan keyin foton energiyaga ega bo'ladihν − ΔЕ va shunga mos ravishda radiatsiya chastotasiν − ΔE/h . Agar molekula energiyani yo'qotsa nima bo'ladiΔE, nurlanishning tarqalish chastotasi teng bo'ladiν + ΔE/h . Chastotasi tushayotgan yorug'likdan pastroq bo'lgan radiatsiya Stokes nurlanishi, yuqori chastotali nurlanish esa anti-Stokes deb ataladi . Juda yuqori bo'lmagan haroratlarda birinchi tebranish darajasining populyatsiyasi past bo'ladi (masalan, xona haroratida tebranish chastotasi 1000 см⁻¹ molekulalarning atigi 0,7% birinchi tebranish darajasida), shuning uchun piyodalarga qarshi intensivligi -Stokesning tarqalishi past. Haroratning oshishi bilan hayajonlangan tebranish darajasining populyatsiyasi ortadi va Stokesga qarshi tarqalishining intensivligi oshadi .

Raman yorug'lik tarqalishining empirik qonunlari

• Spektral sun'iy yo'ldosh chiziqlari asosiy yorug'likning har bir chizig'iga hamroh bo'ladi.
• Sun'iy yo'ldoshlarning birlamchi chiziqqa nisbatan chastotadagi siljishi tarqaladigan moddani tavsiflaydi va molekulyar tebranishlarning tabiiy chastotalariga tengdir.
• Sun'iy yo'ldoshlar besleme liniyasiga nisbatan nosimmetrik tarzda joylashtirilgan ikkita chiziq guruhidir. Asl chiziqqa nisbatan qizil (uzun to'lqin uzunligi) tomonga siljigan sun'iy yo'ldoshlar "qizil" (yoki Stokes, luminesansga o'xshash) deb ataladi va binafsha (qisqa to'lqin uzunligi) - "binafsha rang" (anti-Stokes) ga o'tadi. Qizil sun'iy yo'ldoshlarning intensivligi ancha yuqori.
• Haroratning oshishi bilan Stokesga qarshi sun'iy yo'ldoshlarning intensivligi tez oshadi.

Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi (SRS)

Bir qancha taniqli fiziklar nazariy jihatdan Ramanning tarqalishi ehtimolini uning eksperimental kashfiyotidan oldin ham bashorat qilishgan. Raman nurining tarqalishini birinchi marta Adolf Smekal bashorat qilgan (1923 yilda. ), undan keyin Kramers, Heisenberg, Dirac, Schrödinger va boshqalarning nazariy ishlari.

Moskva davlat universitetida Ramanning tarqalishining topilishi (Moskva)

1918 yilda L. I. Mandelstam termal akustik to'lqinlar orqali yorug'likning tarqalishi tufayli Rayleigh tarqalish chizig'ining bo'linishini bashorat qildi. 1926 yildan boshlab Mandelstam va Landsberg Moskva Davlat Universitetida (MSU) kristallarda molekulyar yorug'lik tarqalishini eksperimental tadqiqotini boshladilar, buning maqsadi tarqalgan yorug'likning elastik termal to'lqinlar tomonidan modulyatsiyasi natijasida yuzaga keladigan tarqalish spektrida nozik tuzilmani aniqlash. akustik diapazonda yotadi (hozirda Mandelstam-Brillouenning tarqalishi deb ataladigan hodisani o'rganish davom etmoqda). Ushbu tadqiqotlar natijasida 1928 yil 21 fevralda Landsberg va Mandelstam yorug'likning Raman tarqalishining ta'sirini aniqladilar (ular optik chastota diapazonidagi kristall panjara atomlarining tebranishlari orqali tarqalgan yorug'likning modulyatsiyasi natijasida yuzaga keladigan yangi spektral chiziqlarni qayd etdilar). Ular o'zlarining kashfiyotlarini 1928 yil 27 aprelda bo'lib o'tgan kollokviumda e'lon qilishdi. va tegishli ilmiy natijalarni sovet va ikkita nemis jurnallarida chop etdi .

Kolkatadagi tadqiqot

1921 yilda Kalkutta universitetida hind fiziklari Raman va Seshagiri Rao aniqlash kanalida yorug'lik filtrlari mavjudligida distillangan suv bilan tarqalgan yorug'likning qutblanishining xususiyatlarini aniqladilar. 1923 yilda Raman qutblanishning xususiyatlari muhitda to'lqin uzunligiga ega bo'lgan qo'shimcha nurlanishning mavjudligi bilan bog'liqligini ko'rsatdi, bu hodisa nurlanish to'lqin uzunligidan sezilarli darajada farq qiladi . Mumkin bo'lgan tushuntirish sifatida lyuminestsentni ilgari surish mumkin edi, ammo eritmani kimyoviy tozalash ta'sirning yo'qolishiga olib kelmadi. Ikkinchisi Ramanni kuzatilgan hodisa qandaydir tubdan yangi hodisa degan fikrga olib keldi va 1923 yilda Raman suyuqlik va bug'lardagi "yangi yorug'likni" o'rganish dasturini boshladi. 1923 yildan 1928 yilgacha uning guruhi 100 dan ortiq shaffof suyuqliklar, gazlar va qattiq jismlarda chastota o'zgaruvchan sochilish mavjudligini ko'rsatdi. Biroq, asosiy tadqiqot usuli qo'shimcha yorug'lik filtrlari va polarizatorlardan foydalanish edi, bu esa kuzatilayotgan hodisani adekvat izohlashga imkon bermadi. Ammo 1928 yilda Raman kuzatilgan effekt go'yoki optikadagi Kompton effektining o'xshashi, deb taxmin qildi, chunki foton "qisman so'rilishi" mumkin va bu "qismlar" o'zboshimchalik bilan bo'lishi mumkin emas va yorug'likning infraqizil yutilish spektrlariga mos kelishi kerak. Hindiston olimlari C. IN. Raman va K. BILAN. krishnan ( Krishnan ) bu gipotezani eksperimental tekshirishni o'z zimmasiga oldi va ular ko'p yillar davomida o'rgangan nurlanishda chiziqli spektrni topdi . Ko'p yillar davomida to'plangan eksperimental materiallar ularga keng turdagi moddalarga xos bo'lgan yangi turdagi luminesans kashfiyoti haqida e'lon qilingan maqolani nashr etishga imkon berdi.

Ramanning so'zlariga ko'ra: "Yangi nurlanish spektrining chiziqlari birinchi marta 1928 yil 28 fevralda aniqlangan", ya'ni Moskva davlat universitetida Landsberg va Mandelstamdan bir hafta keyin. Boshqa tomondan, hind fiziklari yorug'likning suyuqlik va bug'lardagi xatti-harakatlari bo'yicha 16 ta maqola chop etishdi Landsberg va Mandelstamning kristallarda yorug'likning Raman tarqalishi haqidagi nashri. Sovet fiziklari 1918 yildan beri yorug'likning tarqalishi bo'yicha tadqiqotlarni va Ramandan butunlay mustaqil ravishda olib borishlariga qaramay, fizika bo'yicha 1930 yilgi Nobel mukofoti faqat Ramanga "yorug'likning tarqalishi va uning nomi bilan atalgan effektni kashf etgani uchun" berildi. " . (Statistik ma'lumotlarga ko'ra, o'z ishining dastlabki bosqichlarida Nobel qo'mitasi mukofotni bir nechta odamga berishni juda istamagan. ) O'shandan beri chet el adabiyotida yorug'likning Ramanning tarqalishi "Raman effekti" deb nomlanadi.

1957 yilda Raman "Xalqlar o'rtasida tinchlikni mustahkamlash uchun" xalqaro Lenin mukofoti bilan ham taqdirlangan.

Parijdagi tadqiqot

Frantsuz fiziklari Rokar, Kaban va Dor 1925 yilda o'z tadqiqotlarida yorug'likning gazlarda Raman tarqalishini izladilar, ammo topa olmadilar. Keyin ular past intensivlikdagi yorug'likni qayd eta olmadilar.

Umuman olganda, fiziklar Landsberg va Mandelstam tomonidan kashf etilgan kristallardagi yorug'likning Raman tarqalishini suyuqlik va bug'larda Raman tomonidan kashf etilgan effekt bilan bir xil hodisa ekanligini darhol anglamadilar . Bundan tashqari, Raman o'z natijalarini Landsberg va Mandelstamning ishlari nashr etilishidan oldin e'lon qildi. Shuning uchun ingliz tilidagi adabiyotda ko'rib chiqilayotgan hodisa "Raman effekti" deb ataladi (inglizcha: Raman effect ) yoki "Raman tarqalishi" ( Raman scattering ).

Rus tilidagi ilmiy adabiyotlarda, Landsberg, Mandelstam, Fabelinskiy va boshqa ko'plab sovet olimlarining molekulyar yorug'lik tarqalishi klassiklariga amal qilgan holda, bu hodisa an'anaviy ravishda "Raman nurining tarqalishi" deb ataladi. Va "Ramanning tarqalishi" atamasi faqat rus tilida so'zlashuvchi olimlar tomonidan va rus tilidagi darsliklarda qo'llanilishiga qaramay, bu vaziyat o'zgarishi dargumon, chunki 1930 yilgi Nobel qo'mitasining adolatsiz qaroriga qarshilik hali ham juda kuchli. .

Adabiyot

Nasos to'lqinining intensivligi oshgani sayin, tarqalgan Stokes nurlanishining intensivligi oshadi. Bunday sharoitda o'rta molekulalarning bir vaqtning o'zida ikkita elektromagnit to'lqinlar bilan o'zaro ta'sirini ko'rib chiqish kerak: chastotada lazer pompasi to'lqini. $\omega _{0}$ va chastotadagi Stokes to'lqini $\omega _{c}=\omega _{0}-\Omega$ . Yorug'lik to'lqinlarining molekulyar tebranishlarga teskari ta'sirining sababi bog'liqlikdir $\alpha (q)$ umumlashtirilgan koordinatadan qutblanish. Molekulaning yorug'lik to'lqini bilan o'zaro ta'sir qilish energiyasi quyidagicha ifodalanadi

$H=-PE=-\alpha (q)E^{2},$

va, natijada, at $\partial {\alpha }/\partial {q}\neq 0$ yorug'lik maydonida kuch paydo bo'ladi

$F=-{\frac {\partial {H}}{\partial {q}}}={\frac {\partial {\alpha }}{\partial {q}}}E^{2},$

molekulyar tebranishlarga ta'sir qiladi. Agar elektromagnit maydonda chastotali komponentlar bo'lsa, bu kuch ularning rezonansli "to'planishiga" olib kelishi mumkin. $\omega _{1}$ Va $\omega _{2}$, ularning farqi molekulyar tebranishlarning tabiiy chastotasiga yaqin $\Omega$ : $\omega _{1}-\omega _{2}\thickapprox \Omega$ . Bunday sharoitda molekulyar tebranishlarning bosqichma-bosqichligi sodir bo'ladi: dalgalanma xarakteriga ega bo'lgan xaotik molekula ichidagi harakat muntazam majburiy tebranishlar bilan qo'shiladi, turli molekulalarda fazalari yorug'lik maydoni komponentlari fazalari bilan belgilanadi. Bu Raman-faol muhitda kuchli monoxromatik to'lqinning beqarorligiga olib keladi. Agar uning intensivligi chegara qiymatidan oshsa $I_{0}\geqslant I_{thr}$, Stokes chastotasi bilan to'lqin $\omega _{c}=\omega _{0}-\Omega$ muhit bo'ylab tarqalayotganda eksponent ravishda ortadi . Da $I_{c}\ll I_{0}$ (ma'lum bir nasos maydoniga taxminan)

$I_{c}=I_{c0}e^{gI_{0}z},$

to'g'ridan-to'g'ri o'z-o'zidan tarqalish chizig'ining parametrlari bo'yicha ifodalanadi: $d\sigma /do$ sochilish kesimi, $2\Gamma$ - chiziq kengligi, $N$ molekulalarning zichligi, $g'(\omega _{0}-\omega _{c})$ — chiziq shakli omili. Da $gI_{0}z\gg 1$ manba to'lqin chastotasi $\omega _{0}$ tükenmiş, to'lqinlar o'rtasida samarali energiya almashinuvi mavjud. Etarli darajada kuchli qo'zg'alish bilan hayajonlangan tebranish darajalari orasidagi populyatsiyalar farqi ham o'zgaradi. Populyatsiyani tenglashtirish SRSni bostirishga olib keladi, bu holda nazariy tavsif kvant yondashuvini talab qiladi.

$g={\frac {8\pi ^{2}c^{2}}{\hbar \omega _{c}^{3}n^{2}\Gamma }}N{\frac {d\sigma }{do}}g'(\omega _{0}-\omega _{c})$

Ushbu jurnallardan tashqari, Raman spektroskopiyasi bo'yicha ko'plab maqolalar boshqa umumiy va maxsus jurnallarda ham nashr etiladi.

Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishi birinchi marta 1962 yilda Vudberi va Ng tomonidan Q-switched yoqut lazerini qurishda kuzatilgan. Ular Q-switch sifatida suyuq nitrobenzol bilan to'ldirilgan Kerr hujayrasidan foydalanganlar. Natijada, hosil bo'lgan lazer zarbasida 694,3 nm to'lqin uzunligidagi yoqut lazerining asosiy nurlanishi bilan bir qatorda 767 nm to'lqin uzunligida radiatsiya aniqlandi, uning quvvati yetdi. $1/5$ asosiy nurlanish kuchiga. Ma'lum bo'lishicha, kuzatilgan to'lqin uzunliklari orasidagi farq nitrobenzoldagi eng kuchli Raman sochilish chizig'iga (1345 sm ^–1 ) to'g'ri kelgan va tez orada bu hodisa izohlangan.

Ramanning o'z-o'zidan tarqalishidan farqli o'laroq, intensivligi nasos intensivligidan bir necha daraja past bo'lgan incogerent nurlanishga olib keladi, Ramanning stimulyatsiyalangan tarqalishida Stokes to'lqini kogerentdir va uning intensivligi kattaligi bo'yicha hayajonli nurning intensivligi bilan solishtirish mumkin. yorug'lik.

Ramanning tarqalishi bo'yicha ilmiy jurnallar

Yorug'likning Ramanning tarqalishi molekulalar va kristallar spektroskopiyasidagi butun tendentsiyaning boshlanishini belgiladi - Raman spektroskopiyasi. Bu usul molekulyar tuzilmalarni o'rganishning eng kuchli usullaridan biri hisoblanadi, shuning uchun Raman (Raman) tarqalishi muammosiga to'liq bag'ishlangan bir qator ilmiy jurnallar mavjudligi ajablanarli emas.

• Raman spektroskopiyasi jurnali (Raman spektroskopiyasi jurnali) (mavjud havola) .
• Surface Enhanced Raman Scattering fizikasi va ilovalari.

1. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. 
2. Принципы нелинейной оптики. 
3. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника эксперимента. 

Sm. Shuningdek

• Raman spektroskopiyasi
• Reylining tarqalishi
• Mandelstam-Brillouenning tarqalishi
• Tomsonning tarqalishi
• Kompton effekti
• Tyndall effekti

Eslatmalar

[[Turkum:Atom fizikasi]] [[Turkum:Pages with unreviewed translations]]