ରମଣ ପ୍ରଭାବ

ଶ୍ରୀନିବାସ କୃଷ୍ଣନ୍ ତରଳ ପଦାର୍ଥମାନଙ୍କରେ ଏହି ବିଚ୍ଛୁରଣ ଘଟୁଥିବା ଆବିଷ୍କାର କରିଥିଲେ । ଆଉ ଦୁଇ ବୌଜ୍ଞାନିକ ଗ୍ରିଗୋରି ଲାଣ୍ଡସ୍‍ବର୍ଗ୍ ଓ ଲିଓନିଡ୍ ମାଣ୍ଡେଲ୍‍ଷ୍ଟାମ୍ ସ୍ୱତନ୍ତ୍ର ପରୀକ୍ଷାଦ୍ୱାରା କଠିନ ସ୍ଫଟିକ ପଦାର୍ଥରେ ଏହି ପ୍ରଭାବ ଦେଖାଯାଉଥିବା ପ୍ରତିପାଦିତ କରିଥିଲେ । ୧୯୨୩ ମସିହାରେ ଆଉ ଜଣେ ବୈଜ୍ଞାନିକ ଆଡୋଲ୍‍ଫ୍ ସ୍ମେକାଲ୍ ଏହି ପ୍ରଭାବର ତତ୍ତ୍ୱ ବିଷୟରେ କହିଥିଲେ ହେଁ କୌଣସି ବିଜ୍ଞାନଭିତ୍ତିକ ପ୍ରମାଣ ଦେଇନଥିଲେ ।

ଏକ ଅଣୁ ବା ପରମାଣୁରୁ ଫୋଟନ୍ ବିଚ୍ଛୁରଣ ହେଲେ, ଏହି ବିଚ୍ଛୁରଣ ସାଧାରଣତଃ ନମନୀୟ ବିଚ୍ଛୁରଣ ହୋଇଥାଏ ଯାହାକୁ ରେଲେ ବିଚ୍ଛୁରଣ (ଈଂରାଜୀରେ Rayleigh scattering) ବୋଲି କୁହାଯାଏ । ଏପରି ବିଚ୍ଛୁରଣରେ ଆଗନ୍ତୁକ ଓ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି ସ୍ତର (ତରଙ୍ଗ ଦୈର୍ଘ୍ୟ ଓ ଆବୃତ୍ତି) ସମାନ ହୋଇଥାଏ । ତେବେ ଏହି ବିଚ୍ଛୁରିତ ଫୋଟନ୍‍ମାନଙ୍କ ଏକ କ୍ଷୁଦ୍ର ଅଂଶରେ (ପ୍ରାୟ ୧ କୋଟିରେ ଗୋଟିଏ) ଅନମନୀୟ ପ୍ରକୃତି ଦେଖାଯାଇଥାଏ । ଅର୍ଥାତ୍ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି (ବା ଆବୃତ୍ତି) ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି (ବା ଆବୃତ୍ତି)ଠାରୁ ଅଲଗା (ଅଧିକାଂଶ କ୍ଷେତ୍ରରେ କମ୍) ହୋଇଥାଏ । ଗ୍ୟାସୀୟ ପଦାର୍ଥରେ ଅଣୁମାନେ ନିଜ ଶକ୍ତି ସ୍ତରରୁ ଅନ୍ୟ ଏକ ଉଚ୍ଚ ଶକ୍ତି ସ୍ତରକୁ ଗଲେ ମଧ୍ୟ ରମଣ ପ୍ରଭାବ ପରିଲକ୍ଷିତ ହୋଇପାରେ ।

୧୯୨୩ ମସିହାରେ ପ୍ରଥମେ ଅଷ୍ଟ୍ରିଆର ପଦାର୍ଥ ବିଜ୍ଞାନୀ ଅନମନୀୟ ବିଚ୍ଛୁରଣ ବିଷୟରେ କଳ୍ପନା କରିଥିଲେ (ତେଣୁ ଜର୍ମାନ୍ ଭାଷାଭାଷୀ ମହଲରେ ଏହି ପ୍ରଭାବକୁ ସ୍ମେକାଲ୍-ରମଣ ପ୍ରଭାବ ବୋଲି ମଧ୍ୟ କୁହାଯାଏ) । ୧୯୨୨ ମସିହାରେ ଭାରତୀୟ ପଦାର୍ଥ ବିଜ୍ଞାନୀ ଚନ୍ଦ୍ରଶେଖର ଭେଙ୍କଟ ରମଣ ଆଲୋକର ଆଣବିକ ବିସରଣ ସମ୍ପର୍କରେ ଅନେକ ଲେଖା ପ୍ରକାଶ କରିଥିଲେ । ତାଙ୍କର ଏହି ସମସ୍ତ ବୈଜ୍ଞାନିକ ପରୀକ୍ଷା ଯୋଗୁଁ ୧୯୨୮ ମସିହା ଫେବୃଆରୀ ୨୮ ତାରିଖ ଦିନ ସେ ଏହି ପ୍ରଭାବର ଆବିଷ୍କାର କଲେ ତଥା ବୈଜ୍ଞାନିକ ପ୍ରମାଣ ପାଇଲେ । ଏହି ଆବିଷ୍କାର ପାଇଁ ପ୍ରଭାବ ସହିତ ଚନ୍ଦ୍ରଶେଖରଙ୍କ ନାମ ଯୋଡ଼ି ହୋଇଗଲା । ଚନ୍ଦ୍ରଶେଖର ରମଣ ଓ କେ. ଶ୍ରୀନିବାସ କୃଷ୍ଣନ୍ ପ୍ରଥମେ ଏହି ପ୍ରଭାବ ସମ୍ପର୍କରେ ନିଜର ଲେଖା ପ୍ରକାଶ କଲେ । ଏକା ସମୟରେ ୧୯୨୮ ମସିହା ଫେବୃଆରୀ ୨୧ ତାରିଖ ଦିନ ଗ୍ରିଗୋରି ଲାଣ୍ଡସ୍‍ବର୍ଗ୍ ଓ ଲିଓନିଡ୍ ମାଣ୍ଡେଲ୍‍ଷ୍ଟାମ୍ ସ୍ୱତନ୍ତ୍ର ପରୀକ୍ଷାଦ୍ୱାରା ଏକା ପ୍ରଭାବ ଆବିଷ୍କାର କରିଥିଲେ । ଏହି କାରଣରୁ ତତ୍କାଳୀନ ସୋଭିଏତ୍ ବୈଜ୍ଞାନିକ ସମାଜ ଏହି ଆବିଷ୍କାରରେ କେବଳ ରମଣଙ୍କ ନାମ ଯୋଡ଼ିବାକୁ ଗ୍ରହଣ କରୁନଥିଲା । ଋଷୀୟ ବୈଜ୍ଞାନିକ ଲେଖାରେ ଏହାକୁ ମିଶ୍ରିତ ବିଚ୍ଛୁରଣ ("combinatory scattering") ବୋଲି କୁହାଯାଉଥିଲା । ଆଲୋକର ବିଚ୍ଛୁରଣ ଦିଗରେ ଉଲ୍ଲେଖନୀୟ ଅବଦାନ ପାଇଁ ୧୯୩୦ ମସିହାରେ ଚନ୍ଦ୍ରଶେଖର ଭେଙ୍କଟ ରମଣଙ୍କୁ ନୋବେଲ୍ ପୁରସ୍କାରରେ ସମ୍ମାନିତ କରାଯାଇଥିଲା ।

ତରଳ, ଗ୍ୟାସୀୟ ଓ କଠିନ ପଦାର୍ଥଙ୍କ ଅନ୍ତଃ-ଗଠନ ଓ ସଜ୍ଜା ଜାଣିବା ପାଇଁ ଅତ୍ୟନ୍ତ ଉପଯୋଗୀ ହୋଇଥିବାରୁ ୧୯୯୮ ମସିହାରେ ଆମେରିକୀୟ ରସାୟନ ବିଜ୍ଞାନ ସମାଜ (American Chemical Society) ରମଣ ପ୍ରଭାବକୁ ଏକ “ଜାତୀୟ ଐତିହାସିକ ରସାୟନ ବିଜ୍ଞାନ କୀର୍ତ୍ତିମାନ” ଭାବେ ମାନ୍ୟତା ପ୍ରଦାନ କରିଥିଲେ ।

ସ୍ୱାଧୀନତାର ସୂଚକ (ଡିଗ୍ରୀସ୍ ଅଫ୍ ଫ୍ରିଡମ୍ – Degrees of freedom)

ଯେ କୌଣସି ରସାୟନିକ ଯୌଗିକ ପଦାର୍ଥରେ ୩N ଗୋଟି ସ୍ୱାଧୀନତାର ଦିଗ ଥାଆନ୍ତି (ଯଦି ସେହି ଯୌଗିକ ପଦାର୍ଥରେ ସମୁଦାୟ Nଟି ପରମାଣୁ ରହିଥାନ୍ତି) । ଗୋଟିଏ ଅଣୁରେ ରହିଥିବା ପ୍ରତ୍ୟେକ ପରମାଣୁ x, y, z ଏପରି ତିନୋଟି ଦିଗ ବା ଆୟାମରେ ଗତି କରିପାରୁଥିବାରୁ ସ୍ୱାଧୀନତାର ଦିଗ ୩N ହୋଇଥାଏ । କିନ୍ତୁ ଏକ ଅଣୁର ସ୍ୱାଧୀନତାର ଦିଗ ନିର୍ଣ୍ଣୟ କରିବା ପାଇଁ ସମଗ୍ର ଅଣୁର ସ୍ୱାଧୀନତାର ଦିଗ ଦେଖିବାକୁ ପଡ଼ିଥାଏ । ତେଣୁ, ଏକ ଅଣୁର ସ୍ୱାଧୀନତାର ସୂଚକରେ ୩ଟି ଆୟାମ ସହିତ ସରଳ ରୈଖିକ ଗତି, ଘୂର୍ଣ୍ଣନ ଗତି ଓ କମ୍ପନ ଗତିକୁ ମଧ୍ୟ ସ୍ୱାଧୀନତାର ଦିଗ ଭାବେ ଅଭିହିତ କରାଯାଇଥାଏ । ସରଳ ରୈଖିକ ଗତିର ୩ଟି ଆୟାମ (x, y, z) ଏବଂ ${\displaystyle x}$ , ${\displaystyle y}$  ଓ ${\displaystyle z}$ -ଅକ୍ଷ ଚାରିପଟେ ଘୂର୍ଣ୍ଣନ ଗତିର ୩ଟି ଦିଗ ରହିପାରିବ । ରୈଖିକ ଅକ୍ଷରେ ଘୂର୍ଣ୍ଣନ କରୁଥିବା ଅଣୁର କେବଳ ଦୁଇଟି ଘୂର୍ଣ୍ଣନ ସ୍ୱାଧୀନତା ଥିବାରୁ ଏକ ଦିଗ କମ୍ ଥାଏ । ଅନ୍ୟ ସମସ୍ତ ସ୍ୱାଧୀନତାର ସୂଚକ ଅଣୁର କମ୍ପନ ଗତି ପାଇଁ ଉଦ୍ଦିଷ୍ଟ । ରସାୟନିକ ବନ୍ଧନ ସୃଷ୍ଟି ହେବା, ଭାଙ୍ଗିବା ବା ଅନ୍ୟ ସମସ୍ତ ବନ୍ଧନ ସମ୍ପର୍କୀୟ ପ୍ରକ୍ରିୟା ଏହି କମ୍ପନ ଗତିର ସ୍ୱାଧୀନତାର ସୂଚକ ସାଜିଥାନ୍ତି ।

ଏକ ରୈଖିକ ଅଣୁ ପାଇଁ ରହିଥିବା ସମସ୍ତ କମ୍ପନ ଦିଗଗୁଡ଼ିକ ହେଲେ :

${\displaystyle 3N-3-2=3N-5}$ 

କିନ୍ତୁ ଏକ ଅଣ-ରୈଖିକ ଅଣୁ ପାଇଁ ରହିଥିବା ସମସ୍ତ କମ୍ପନ ଦିଗଗୁଡ଼ିକ ହେଲେ :

${\displaystyle 3N-6}$ 

ଆଣବିକ କମ୍ପନ ଓ ଅବଲୋହିତ ବିକିରଣ

ଆଣବିକ କମ୍ପନର ଆବୃତ୍ତି ଅତି ନିମ୍ନ ସ୍ତରର ହୋଇଥାଏ (ପ୍ରାୟ ୧୦^୧୨ରୁ ୧୦^୧୪ ହର୍ଜ୍) । ଏହି ନିମ୍ନ ଆବୃତ୍ତି ଅବଲୋହିତ ଆଲୋକର ଆବୃତ୍ତି ସହିତ ପ୍ରାୟ ସମାନ । ଯେ କୌଣସି ଏକ ନିର୍ଦ୍ଦିଷ୍ଟ ସମୟରେ ଏକ ଅଣୁରେ କିଛି ମାତ୍ରାର କମ୍ପନ ଶକ୍ତି ନିହିତ ହୋଇ ରହିଥାଏ । କିନ୍ତୁ ପରସ୍ପର ସହିତ ଧକ୍କା ବା ଅନ୍ୟ ଅଣୁମାନଙ୍କ ପ୍ରଭାବ ଯୋଗୁଁ ଅଣୁମାନଙ୍କ କମ୍ପନ ଶକ୍ତି ଅବିରତ ବଦଳୁଥାଏ ।

ସାଧାରଣ ତାପମାତ୍ରାରେ ଅଧିକାଂଶ ଅଣୁ ନିଜର ନିମ୍ନତମ ଶକ୍ତିସ୍ତରରେ (ground state) ରହିଥାନ୍ତି । ଅଳ୍ପ କିଛି ଅଣୁ ଉତ୍ତେଜିତ ଅବସ୍ଥାରେ ଥାଆନ୍ତି, ତେଣୁ ଅନ୍ୟ ଅଣୁଙ୍କ ତୁଳନାରେ ଉଚ୍ଚତର ଶକ୍ତିସ୍ତରରେ ରହିଥାନ୍ତି । ଯେ କୌଣସି ତାପମାତ୍ରାରେ ବୋଲ୍‍ଜ୍‍ମାନ୍ ବିତରଣ ଅନୁଯାୟୀ ଅଣୁମାନଙ୍କ କମ୍ପନଶୀଳତା ନିର୍ଦ୍ଧାରିତ ହୋଇଥାଏ । ଅଳ୍ପ ବା ନିମ୍ନ ତାପମାତ୍ରାରେ ଅଧିକାଂଶ ଅଣୁ ନିମ୍ନ କମ୍ପନ ଶକ୍ତିସ୍ତରରେ ରହିଥାନ୍ତି । ଏହି ଅଣୁମାନଙ୍କୁ ଉତ୍ତେଜିତ କଲେ ସେମାନେ ଫୋଟନ୍‍ମାନଙ୍କଠାରୁ ଶକ୍ତି ପାଇ ଉଚ୍ଚ କମ୍ପନ ଶକ୍ତିସ୍ତରକୁ ଯାଇଥାନ୍ତି । ଏହି ତତ୍ତ୍ୱକୁ ଅନୁସରଣ କରି ଅବଲୋହିତ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରୋସ୍କୋପ୍ ଉପକରଣମାନ କାମ କରନ୍ତି : ବସ୍ତୁ ମଧ୍ୟରେ ଅବଲୋହିତ ରଶ୍ମୀ ସଞ୍ଚରିତ କରାଇ ବସ୍ତୁରୁ ବାହାରୁ ଥିବା ଆଲୋକ ରଶ୍ମୀର ଆବୃତ୍ତି ମାପ କରାଯାଏ । ଆଲୋକର ତୀବ୍ରତାରେ ହ୍ରାସ ଦେଖାଦେଲେ ତାହା ଅଣୁମାନଙ୍କ କମ୍ପନ ଶକ୍ତିସ୍ତରରେ ଉପଯୋଗ ହେବା ସୂଚିତ କରିଥାଏ । ଯଦି ଏକ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତିକୁ ${\displaystyle E}$  ବୋଲି କହିବା, ତେବେ

${\displaystyle E=h\nu }$ ,

ଏଠାରେ ${\displaystyle h}$  ହେଉଛି ପ୍ଲାଂକ୍ ସ୍ଥିରାଙ୍କ ଓ ${\displaystyle \nu }$  ହେଉଛି ବିକିରିତ ଆଲୋକର ଆବୃତ୍ତି । ତେଣୁ ଅଣୁମାନଙ୍କୁ କେତେ ଆବୃତ୍ତିର ଆଲୋକଦ୍ୱାରା ଉତ୍ତେଜିତ କରାଯାଇପାରିବ ସେଥିରୁ ଏପରି ଶକ୍ତିସ୍ତର ହାସଲ କରିବା ପାଇଁ ଆବଶ୍ୟକ ଶକ୍ତିର ମାପ ମିଳିଥାଏ ।

ରମଣ ବିଚ୍ଛୁରଣ

ଅନମନୀୟ ବିଚ୍ଛୁରଣଦ୍ୱାରା ଆଣବିକ କମ୍ପନ ବିଷୟରେ ସମ୍ୟକ୍ ସୂଚନା ମିଳେ । ଅନମନୀୟ ସ୍ୱଭାବର ହୋଇଥିବାରୁ ରମଣ ବିଚ୍ଛୁରଣରେ ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍‍ଠାରୁ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି କମ୍ ହୋଇଥାଏ । ତେଣୁ ବଳକା ଶକ୍ତି ଅଣୁମାନଙ୍କୁ ଉଚ୍ଚତର କମ୍ପନ ଶକ୍ତିସ୍ତରକୁ ଉଠାଇବାରେ ନିୟୋଜିତ ହୋଇଛି ବୋଲି ଜଣାପଡ଼େ । ଆଗନ୍ତୁକ ଓ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଆଲୋକ ରଶ୍ମୀର ଆବୃତ୍ତି ଜଣାଥିଲେ କେତେ ଶକ୍ତିଦ୍ୱାରା ଅଣୁଟିକୁ ଉତ୍ତେଜିତ କରାଯାଇପାରିବ ତାହା ନିର୍ଦ୍ଧାରଣ କରାଯାଇପାରିବ ।

ରମଣ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରୋସ୍କୋପିରେ ଦୃଶ୍ୟମାନ ବା ଅବଲୋହିତ ନିକଟସ୍ଥ ଆଲୋକ ପରୀକ୍ଷଣ ପାଇଁ ଉଦ୍ଦିଷ୍ଟ ବସ୍ତୁ ଦେଇ ସଞ୍ଚରିତ କରାଯାଏ । ଆଲୋକର ଫୋଟନ୍‍ମାନଙ୍କ ଯୋଗୁଁ ବସ୍ତୁର ଅଣୁମାନଙ୍କ କମ୍ପନ ଶକ୍ତି ଉପରେ ପ୍ରଭାବ ନ ପଡ଼ିଲେ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଆଲୋକର ଆବୃତ୍ତି ଆଗନ୍ତୁକ ଆଲୋକର ଆବୃତ୍ତି ସହ ସମାନ ହୋଇଥାଏ । ଏହି ବିଚ୍ଛୁରଣ ନମନୀୟ ସ୍ୱଭାବର ଓ ଏହାକୁ ରେଲେ ବିଚ୍ଛୁରଣ (Rayleigh scattering) କୁହାଯାଏ । ଯଦି ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍ ଏକ ଅଣୁର କମ୍ପନ ଶକ୍ତିସ୍ତରକୁ ବଢ଼ାଇଦିଏ ବା ପ୍ରଭାବିତ କରେ ତେବେ ବିଚ୍ଛୁରିତ ଫୋଟନ୍‍ର ଆବୃତ୍ତି ବା ଶକ୍ତି କମିଯାଏ । ଏକ ମଧ୍ୟବର୍ତ୍ତୀ ପ୍ରମାତ୍ରିକ ଅବସ୍ଥାରେ ଏହି ଅନମନୀୟ ସ୍ୱଭାବ ଦେଖାଦିଏ । ଏହି ପ୍ରମାତ୍ରିକ ଅବସ୍ଥା ଅଣୁର ଏକ “ସ୍ଥିର ଅବସ୍ଥା” ବା “ଅସ୍ଥିର ଅବସ୍ଥା” ମଧ୍ୟ ହୋଇପାରେ ।

ଷ୍ଟୋକ୍‍ସ୍ ଓ ଆଣ୍ଟି-ଷ୍ଟୋକ୍‍ସ୍

 

ରମଣ ପ୍ରଭାବ ଯୋଗୁଁ ଦୁଇଟି ସମ୍ଭାବନା ସୃଷ୍ଟି ହୋଇପାରେ :

• ପଦାର୍ଥଟିଏ ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି ଶୋଷଣ କରେ ଓ ନିର୍ଗତ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତିଠାରୁ କମ୍ ହୋଇଥାଏ । ସାର୍ ଜର୍ଜ୍ ଷ୍ଟୋକ୍‍ସ୍‍ ୧୮୫୨ ମସିହାରେ ଆବିଷ୍କାର କରିଥିବା ଫ୍ଲୋରୋସେନ୍ସ୍ ତତ୍ତ୍ୱ ସହ ସାମଞ୍ଜସ୍ୟ ଥିବାରୁ ଏହାକୁ ଷ୍ଟୋକ୍‍ସ୍-ରମଣ ପ୍ରଭାବ କୁହାଯାଏ ।
• ପଦାର୍ଥରୁ ଶକ୍ତି କ୍ଷୟ ହୁଏ ଓ ନିର୍ଗତ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତି ଆଗନ୍ତୁକ ଫୋଟନ୍‍ର ଶକ୍ତିଠାରୁ ଅଧିକ ହୋଇଥାଏ । ଏହାକୁ ଆଣ୍ଟିଷ୍ଟୋକ୍‍ସ୍ ରମଣ ବିଚ୍ଛୁରଣ କୁହନ୍ତି ।

ରମଣ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରୋସ୍କୋପିରେ ରମଣ ପ୍ରଭାବ ବ୍ୟବହାର କରାଯାଇଥାଏ । ରମଣ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରୋସ୍କୋପିଦ୍ୱାରା କଠିନ, ତରଳ ଓ ଗ୍ୟାସୀୟ ପଦାର୍ଥମାନଙ୍କ ଅନ୍ତଃ-ସଂରଚନା ନିର୍ଦ୍ଧାରିତ ହୁଏ । ରମଣ ସ୍ପେକ୍ଟ୍ରୋସ୍କୋପିଦ୍ୱାରା ଜୈବିକ ବସ୍ତୁ, ମନୁଷ୍ୟ ଜୀବକୋଷ (tissue) ପରି ଜଟିଳ ବସ୍ତୁଙ୍କ ଅନ୍ତଃ-ସଂରଚନା ନିର୍ଦ୍ଧାରଣ ଓ ବିଶ୍ଳେଷଣ ମଧ୍ୟ ହୋଇପାରିବ ।

ରମଣ ଲିଡାର୍, ରମଣ ଆମ୍ପ୍ଲିଫାୟର୍ ପରି ଉପକରଣରେ ମଧ୍ୟ ରମଣ ପ୍ରଭାବର ବ୍ୟବହାର ଦେଖାଯାଇଛି । ଯବକ୍ଷାରଜାନ ଓ ଅମ୍ଳଜାନ ଅଣୁରେ ରେଲେ ଓ ରମଣ ବିଚ୍ଛୁରଣ (ରମଣ ପ୍ରଭାବ) ଯୋଗୁଁ ଆକାଶ ନୀଳ ରଙ୍ଗର ଦେଖାଯାଇଥାଏ ।