§ 41. Комбинационное рассеяние света

В 1928 г. советские ученые Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам и одновременно индийские физики Раман и Кришнан открыли явление, заключающееся в том, что в спектре рассеяния, возникающем при прохождении света через газы, жидкости или прозрачные кристаллические тела, помимо несмещенной линии содержатся новые линии, частоты которых со представляют собой комбинацию частоты падающего света и частот ; колебательных или вращательных переходов рассеивающих молекул:

Это явление получило название комбинационного рассеяния света.

Рис. 41.1.

На рис. 41.1 приведен спектр комбинационного рассеяния кислорода, возбуждаемый линией . На линию комбинационного рассеяния, расположенную справа от линии источника, наложилась линия (менее интенсивная, чем ), вследствие чего интенсивность этой линии получилась больше, чем других. Из рисунка видно, что спектр комбинационного рассеяния состоит из несмещенной линии симметрично относительно которой располагается ряд спутников. Каждому «красному» спутнику (т. е. спутнику, смещенному в сторону больших длин волн) с частотой соответствует «фиолетовый» спутник с частотой При обычных температурах интенсивность фиолетовых спутников значительно меньше, чем красных. С повышением температуры интенсивность фиолетовых спутников быстро растет.

Согласно квантовой теории процесс рассеяния света можно рассматривать как неупругое соударение фотонов с молекулами. При соударении фотон может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней. Если при столкновении с фотоном молекула переходит из состояния с энергией Е в состояние с энергией то энергия фотона после рассеяния станет равной , где . Соответственно частота фотона уменьшится на — возникает красный спутник. Если первоначально молекула находилась в состоянии с энергией она может перейти в результате соударения с фотоном в состояние с энергией Е, отдав избыток энергии фотону.

В результате энергия фотона станет равной и частота увеличится на Рассеяние фотона может сопровождаться переходами молекулы между различными вращательными или колебательными уровнями и т. д. В итоге возникает ряд симметрично расположенных спутников.

При обычных температурах число молекул, находящихся в основном состоянии, намного превосходит число молекул, находящихся в возбужденных состояниях. Поэтому столкновения, сопровождающиеся уменьшением энергии молекулы, происходят гораздо реже, чем переходы, сопровождающиеся увеличением энергии. Этим объясняется малая интенсивность фиолетовых спутников по сравнению с красными. При повышении температуры число возбужденных молекул быстро растет, что приводит к увеличению интенсивности фиолетовых спутников.

Исследование комбинационного рассеяния дает много сведений о строении молекул. С помощью этого метода определяются собственные частоты колебаний молекулы; он позволяет также судить о характере симметрии молекулы. В кристаллах комбинационное рассеяние света обычно связывают с так называемой оптической ветвью колебаний кристаллической решетки (см. § 48). Спектры комбинационного рассеяния настолько характерны для молекул, что с их помощью осуществляют анализ сложных молекулярных смесей, особенно органических молекул, анализ которых химическими методами весьма затруднен или даже невозможен.

Отметим, что комбинационное рассеяние относится к числу так называемых нелинейных эффектов (см. § 44).