פיזור ראמאן: תופעה פיזיקלית

תופעה זו התגלתה על ידי ונקאטה ראמאן בנוזלים ועל ידי גריגורי לנסברג ולאוניד מנדלשטאם בגבישים.

כאשר אור מפוזר מחומר, רוב הפוטונים מפוזרים בצורה אלסטית - לפוטון המפוזר אנרגיה זהה לזו שהייתה לפוטון הפוגע, כך שתדירותו ואורך הגל שלו אינם משתנים בפגיעה. לעומת זאת, אחד מתוך כ-10 מיליון פוטונים מפוזר בצורה לא אלסטית בה מתבצעת החלפת אנרגיה ותנע עם החומר. התופעה הנצפית היא שחלק מהאור המפוזר הוא באורך גל שונה מהאור המקורי. ההבדל מבטא את הפרש האנרגיות בין הפוטון המקורי לפוטון המפוזר ומספק מידע לגבי דרגות החופש הפנימיות של החומר (רוטאציות, ויברציות וכן רמות אלקטרוניות).

בשנת 1922, הפיזיקאי ההודי צ'נדרסקהארה ונקאטה ראמאן פרסם את עבודתו על "נפיצה מולקולארית של אור", מאמר ראשון בסדרה בה הוצג מחקר שלו ושל עמיתיו שהוביל לבסוף (28 בפברואר 1928) לגילוי האפקט הקרינתי שעל שמו. בשנת 1930 זכה ראמאן 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.

 

 

הפוטון שמפוזר מהחומר יכול למסור 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:

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

כאשר:

${\displaystyle N_{0}}$ : מספר החלקיקים במצב האנרגטי הנמוך (לא מעוררים).
${\displaystyle N_{1}}$ : מספר החלקיקים במצב האנרגטי הגבוה (מעוררים).
${\displaystyle g_{0}}$ : הניוון של המצב האנרגטי הנמוך.
${\displaystyle g_{1}}$ : הניוון של המצב האנרגטי הגבוה.
${\displaystyle \Delta E_{v}}$ : הפרש האנרגיות בין שני המצבים.
k: קבוע בולצמן.
T: טמפרטורה (במעלות קלווין).

כפי שמודגם באיור, עוצמת קווי האנטי-סטוקס חלשה מזו של קווי הסטוקס. לפי הנוסחה, ככל שהפרש האנרגיות בין שני המצבים קטן יותר, העוצמה היחסית של קווי האנטי-סטוקס גדולה יותר. הטמפרטורה משחקת תפקיד נוסף בפיזור ראמן והתדירויות של הספקטרום ראמן.

ספקטרוסקופיית ראמאן היא שיטה אנליטית המתבססת על איסוף האור לאחר פיזור ראמאן וניתוח עוצמת הפיזור באורכי גל שונים על מנת ללמוד על הדוגמה. לספקטרוסקופיית ראמאן שימושים רבים בתעשייה ובמחקר וביניהם:

1. בתעשיית התרופות - זיהוי מדויק של תרופות, איתור זיופים ודילולים
2. במינרלוגיה - זיהוי מבנה גבישי ואפיון אבני חן ויהלומים
3. בתעשיית המוליכים-למחצה - בדיקת איכות ייצור, מתח פנימי ועוד
4. בהנדסה ביו-רפואית - בבדיקת תגובת תרופות ובזיהוי מהיר של מחלות וזיהומים

• כללי ברירה
• ביופוטוניקה
• פוטוניקה

  מדיה וקבצים בנושא פיזור ראמאן בוויקישיתוף

• פיזור ראמאן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   אפקט רמן, דף שער בספרייה הלאומית