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拉曼效应。比较RAYLEIGH SCATTERING

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拉曼散射又称拉曼散射，是印度物理学家拉曼在1928年发现的，是指光波被散射后频率发生变化的现象。1930诺贝尔物理学奖授予了当时在印度加尔各答大学工作的Chandrasekhara Venkata Raman爵士(1888—1970)，以表彰他对光散射的研究和发现以他名字命名的定律。

中文名

拉曼效应。比较RAYLEIGH SCATTERING

外国名字

拉曼散射

另一个名字

光的组合散射

提出者

拉曼

展示时间

1928

应用学科

物理学

1?摘要

2?发现之旅

3?研究过程

拉曼光谱

典型应用

物理学原理

拉曼贡献

4?相关信息

摘要

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1930诺贝尔物理学奖授予了当时在印度加尔各答大学工作的SirChandrasekhara Venkata Raman(1888—1970)，以表彰他对光散射的研究和发现以他名字命名的定律。

光散射现象中有一种特殊的效应，类似于X射线散射的康普顿效应。光的频率在散射后会发生变化。“拉曼散射”是指当一定频率的激光照射样品表面时，物质中的分子吸收部分能量，以不同的方式和程度振动(例如原子的摆动和扭转，化学键的摆动和振动)，然后散射出频率较低的光。频率的变化取决于散射物质的特性。不同种类的原子团以独特的方式振动，因此它们可以产生特定频率的散射光。它的光谱被称为“指纹谱”，组成物质的分子类型可以根据这个原理来识别。这是拉曼在1928研究光散射时发现的。在拉曼及其合作者宣布发现这一效应的几个月后，苏联的兰德斯伯格和L·曼德尔斯塔姆也独立发现了这一效应，他们称之为联合散射。拉曼光谱是入射光子与分子碰撞时，分子的振动能量或转动能量与光子能量叠加的结果。利用拉曼光谱，可以将红外区的分子能谱转移到可见光区进行观察。因此，拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。

发现之旅

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1921年的夏天，在航行于地中海的客轮S.S.Narkunda上，一位印度学者正俯身在甲板上用简单的光学仪器观察海面。他对海水的深蓝着迷，一心研究海水颜色的来源。这位印度学者就是拉曼。他正在前往英国的途中，代表印度最高学府加尔各答大学，参加在牛津举行的英联邦大学会议，并准备在皇家学会发表演讲。此时他才33岁。对拉曼来说，大海的蓝色并不稀奇。他上学的马德拉斯大学面对孟加拉湾，每天都能看到海水变幻的颜色。其实早在16岁(1904)的时候，他就已经熟悉了著名物理学家芮利用分子散射中散射光强度与波长的四次方成反比的定律(也叫瑞利定律)对蓝天的解释。不知道是因为从小养成的探究自然奥秘的性格，还是因为研究光散射时查阅文献的深入思考。他注意到瑞利的一段话值得商榷。瑞利说:“深海的蓝色不是海水的颜色，天空的蓝色是海水反射出来的。”瑞利对海水蓝的论述一直是拉曼关心的问题。他决心进行一次实地考察。所以，当拉曼出发去英国时，他在行李中准备了一套实验装置:几个尼科尔棱镜、小型望远镜、狭缝甚至一个光栅。望远镜两端装有尼科尔棱镜作为起偏器和检偏器，可以随时进行实验。他用一个尼科尔棱镜沿着布鲁斯特角观察海水反射的光，从而消除来自天空的蓝光。这样看到的光应该是海本身的颜色。原来你从这看到的是比天还深的蓝色。他还用光栅分析海水的颜色，发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更蓝。可见，海水的颜色并不是天空的颜色造成的，而是海水本身的一种属性。拉曼认为，这一定是由于水分子对光的散射。他在回国的船上写了两篇论文讨论这种现象。这些文件在中途停留期间被送到英国，并在伦敦的两家杂志上发表。？[1]?

研究过程

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拉曼1888165438+10月7日出生于印度南部的蓖麻诺。我父亲是大学数学和物理学教授。他从小接受科学教育，培养了他对音乐和乐器的兴趣。他有杰出的才能。16岁大学毕业，以第一名的成绩获得物理学金牌。19岁，以优异成绩获得硕士学位。1906年，年仅18岁的他在英国著名科学杂志《自然》上发表了关于光的衍射效应的论文。由于生病，拉曼失去了在英国一所著名大学做博士论文的机会。独立前，印度如果没有获得英国的博士学位，就没有资格从事科学文化界的工作。但是会计行业是个例外，不需要先去英国培训。于是拉曼向财政部申请求职，并获得第一名，被授予首席会计助理的职位。拉曼在财政部干得不错，责任越来越重，但他不想沉浸在官场。他执着于自己的科学目标，把所有的业余时间都用来继续研究声学和乐器理论。在加尔各答有一个学术机构叫做印度科学教育协会，它有一个实验室，拉曼在那里进行他的声学和光学研究。经过十年的努力，拉曼在没有资深研究人员指导的情况下，独自取得了一系列成果，发表了许多论文。1917加尔各答大学破例邀请他担任物理学教授，让他从此专心科研。在加尔各答大学任教的16年间，他仍然在印度科学教育协会进行实验。学生、老师、访问学者都来这里向他学习，与他合作，逐渐形成了以他为核心的学术群体。在他的榜样和成就的鼓舞下，许多人走上了科学研究的道路。其中就有著名的物理学家M.N .萨哈和S.N .玻色，此时的加尔各答正在组建印度的科研中心，加尔各答大学和拉曼集团成为民众支持的核心。1921年，拉曼代表加尔各答大学在英国讲学，表明他们的成果得到了国际认可。

拉曼回到印度后，立即在科学教育协会进行了一系列实验和理论研究，探索光在各种透明介质中的散射规律。许多人参加了这些研究。这些人大多是学校老师。他们在节假日来到科学教育协会，在拉曼的陪伴或指导下进行光散射或其他实验，对拉曼的研究起到了积极的作用。七年时间，他们发表了大约五六十篇论文。起初，他们研究了分子在各种介质中的散射规律，选择了不同的分子结构、不同的物质状态、不同的压力和温度，甚至进行了临界点相变时的散射实验。1922年，拉曼写了一本总结这一研究的小册子，名为《光的分子衍射》，系统阐述了他的观点。在最后一章中，他提到了用量子理论来分析散射现象，并认为进一步的实验可能会区分经典电磁理论和光量子碰撞理论。

1923年4月，他的一个学生K.R.Ramanathan第一次观察到光散射中的颜色变化现象。实验以太阳为光源，通过紫色滤光片照射装有纯水或纯酒精的烧瓶，然后从侧面观察，却意外观察到非常微弱的绿色成分。Ramanasan并不理解这种现象，认为这是杂质引起的二次辐射，类似于荧光。因此，在论文中称之为“弱荧光”。但是，拉曼并不认为这是杂质导致的现象。如果真的是杂质的荧光，这种影响应该在仔细纯化的样品中消除。

在接下来的两年里，拉曼的另一位学生K.S .克里希观察了65种纯化液体的散射光，证明它们都有类似的“弱荧光”，他还发现颜色发生变化的散射光是部分偏振的。众所周知，荧光是一种自然光，没有偏振。这证明了这种波长变化的现象不是荧光效应。

拉曼和他的学生想了很多方法来研究这一现象。他们试图拍摄散射光进行对比，但失败了。他们使用互补滤光片、大型望远镜的目镜和短焦距镜头聚焦太阳，测试样本从液体扩展到固体，坚持各种实验。

同时，拉曼也在追求一种理论解释。1924年拉曼访美，恰逢A.H .康普顿不久前发现X射线散射后波长拉长的效应，怀疑论者正在挑起争论。拉曼显然从康普顿的发现中得到了重要启示，后来他把自己的发现视为“康普顿效应的光学对应物”。拉曼也经历了类似康普顿的曲折。经过六七年的摸索，在1928开头就有了明确的结论。此时，拉曼已经意识到颜色改变的微弱偏振散射光是一种普遍现象。参考康普顿效应中的“变线”这个名称，他把这种新辐射称为“修正散射”。拉曼进一步改进了滤波方法，在蓝紫滤光片前面加了一块铀玻璃，使入射太阳光只能通过更窄的波段，然后用可视分光镜观察散射光，发现可变散射和恒定入射光之间有一个暗区。

1928年2月28日下午，拉曼决定用单色光作为光源，做了一个非常漂亮而果断的实验。他查看了视觉分光镜的散射光，发现在蓝光和绿光区域有两条以上尖锐的亮线。每条入射谱线都有相应的可变散射线。一般情况下，可变散射线的频率低于入射光线，偶尔会观察到频率高于入射光线的散射线，但强度较弱。

很快，人们开始把这种新发现的现象称为拉曼效应。1930年，美国光谱学家R.W.Wood将频率较低的可变散射线命名为斯托克斯线。频率更高的反斯托克斯谱线。

拉曼光谱

当光照射到物质上时，会发生散射，但与激发光波长相同的弹性成分(瑞利散射)除外。

光的组合散射

辐射)，有比激发光波长更长和更短的成分，后一种现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中光学声子的等电激发和激发光的相互作用引起的非弹性散射称为拉曼散射，瑞利散射和拉曼散射结合形成的光谱一般称为拉曼光谱。由于拉曼散射非常微弱，直到1928年才被印度物理学家拉曼等人发现。

当时他们用汞灯的单色光照射一些液体时，在液体的散射光中观察到比入射光频率更低的新谱线。拉曼等人宣布发现几个月后，苏联物理学家兰德斯-伯杰等人也独立报道了晶体中存在这种效应。因为拉曼散射很弱，强度大约是瑞利散射的千分之一。在激光出现之前，获得一个完美的光谱往往很费时间。激光的出现极大地改变了拉曼光谱技术。由于激光器输出的激光具有良好的单色性、方向性和高强度，成为获得拉曼光谱的理想光源。？[2]?

典型应用

(1)材料检查:在有机和有机接触中，应力材料。

(2)腐蚀产物:不同氧化物腐蚀的鉴定。

(3)碳:金刚石-CVD和天然、无定形碳、碳纤维碳。

(4)催化剂和电极表面上的吸附物。

(5)法医:检测与鉴定；药物、披露物、织物等的识别。适合法院。

(6)矿物学和宝石学:表征、包裹体和纯宝石学。

(7)美术:材料和绘画的鉴定，(还原！修复(建筑物等)艺术品

物理学原理

拉曼效应的机理不同于荧光现象，它不吸收激发光，所以不能用实际的上能级波恩解释

拉曼光谱

而黄昆用虚上能级的概念解释拉曼效应。

假设散射体分子原本处于电子基态，振动能级如上图所示。当入射光照射时，激发光与这种分子相互作用产生的偏振可以看作是虚吸收，表现为电子跳到虚态，虚能级上的电子立即跳到较低能级上发光，这种光就是散射光。如图所示有三种情况。既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线。前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。拉曼线中，频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。

拉曼贡献

拉曼发现异常散射的消息传遍全球，引起强烈反响，许多实验室相继重复，证实并发展了他的成果。1928发表了57篇关于拉曼效应的论文。科学界高度评价了他的发现。拉曼是印度人民的骄傲，为第三世界的科学家树立了榜样。令人钦佩的是，他在独立前生活了大半辈子的印度取得了如此杰出的成就。特别是拉曼，他是一位在印度受训的科学家。他一直立足印度，努力工作，建立了有特色的科研中心，走到了世界的前列。

1934年，拉曼等学者创立印度科学院，并亲自担任院长。1947年，拉曼研究所成立。他在印度科学发展方面取得了巨大成就。拉曼有把握分子散射主题的好眼光。在他多年的持续努力中，明显有一个思路，就是针对理论上的薄弱环节，坚持不懈地开展基础研究。拉曼非常重视发现人才。从印度科学教育协会到拉曼研究所，他身边总是有一群群才华横溢的学生和合作者。根据光散射的统计，在三十年中期，66位学者发表了他的实验室的377篇论文。他勾引学生，深受他们的钦佩和喜爱。拉曼喜欢音乐、鲜花和岩石。他研究钻石的结构，花掉了大部分奖金。晚年，他致力于花卉的光谱分析。在他80岁生日的时候，他出版了他的专辑《视觉生理学》。拉曼爱玫瑰胜过一切。他拥有一座玫瑰园。拉曼于1970年去世，享年82岁，按照他的遗愿，在他的花园里火化。

相关信息

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电化学原位拉曼光谱是利用物质分子极大地改变入射光频率的散射现象，在电极表面激发由电极电位调制的单色入射光(包括圆偏振光和线偏振光)，确定散射拉曼光谱信号(频率、强度和偏振性能的变化)与电极电位或电流强度的关系的方法。一般来说，物质分子的拉曼光谱很弱。为了获得增强的信号，可以采用电极表面粗糙化的方法，可以获得强度高出104-107倍的表面增强拉曼散射(SERS)光谱。当具有* *振动拉曼效应的分子吸附在粗糙电极表面时，获得的SERRS光谱可以增强102-103。

电化学原位拉曼光谱测量装置主要包括拉曼光谱仪和原位电化学拉曼池。拉曼光谱仪由激光光源、采集系统、分光系统和检测系统组成。光源一般采用能量集中、功率密度高的激光。收集系统包括一个透镜组。分光系统使用光栅或与光栅结合的陷波滤波器来过滤瑞利散射和杂散光。分光检测系统使用光电倍增管检测器、半导体阵列检测器或多通道电荷耦合器件。原位电化学拉曼池一般有工作电极、辅助电极、参比电极和通气装置。为了避免腐蚀性溶液和气体腐蚀仪器，拉曼池必须配备光学窗口密封系统。如果实验条件允许，为了避免溶液信号的干扰，应采用薄层溶液(电极与窗口的距离为0.1 ~ 1 mm)，这对于显微拉曼系统是非常重要的。太厚的光学窗口或溶液层会改变微系统的光路，降低表面拉曼信号的收集效率。最常见的电极表面粗糙化方法是电化学氧化还原循环(ORC)方法，其通常可用于原位或异位ORC处理。

电化学原位拉曼光谱的研究进展如下:一是通过表面增强处理，将检测体系扩展到过渡金属和半导体电极。虽然电化学原位拉曼光谱是一种灵敏的现场检测方法，但只有银、铜和金电极才能在可见光区产生强SERS。许多学者试图在具有重要应用背景的过渡金属电极和半导体电极上实现表面增强拉曼散射。其次，通过分析电极表面吸附物种的结构和取向以及SERS光谱与电化学参数的关系，在分子水平上描述了电化学吸附现象。再次，通过改变调制电位的频率，可以得到在两种电位下变化的“时间分辨谱”，从而分析体系的SERS峰与电位的关系，解决电极表面SERS活性位随电位变化而引起的问题。？[3]?

光纤传输和接入

光纤通信光波强度光频

光孤子光谱谱线光谱窗口

光波导的宏弯和微弯接收锥区

光时分复用密集波分复用超密集波分复用稀疏波分复用

拉曼散射拉曼效应里德-所罗门码光学收支

受激布里渊散射光载波的集成光路捆绑

消光比波长转换波数包

包层模式固有连接损耗长波

多模传输多模失真模内失真色散

其他科技术语光学仪器

光谱光度学

光学系统理想光学系统望远镜系统显微镜系统投影系统

反射系统折射系统折反射系统正交系统变形光学系统

变焦系统附加光学系统远心光学系统远心光学系统照明系统

摄影光学系统摄影制版系统立体效果光速和相速

漫反射漫透射图像视角景深

折射率干涉条纹干涉级白光条纹牛顿环

其他科技术语的物理效应

阿哈罗诺夫-玻姆效应多普勒效应辐射压力霍尔效应趋肤效应

卡西米尔效应，拉曼效应，穆斯堡尔效应，普朗泰-格劳尔奇异红移。

塞曼效应声致发光斯塔克效应焦耳-汤姆逊效应光电效应

Biefeld-Brownian效应参考系拖曳咖啡环效应Andreev反射巨磁电阻效应

康达效应廷德尔效应引力时间延迟效应文丘里效应时间膨胀

毛细大地效应热膨胀和冷缩热电效应特斯拉效应

安格连效应相对论多普勒效应磁冻结效应磁扩散效应磁致伸缩。

磁阻效应，莱顿弗罗斯特现象，蓝移，萨克斯-威化效应，近藤效应

重力红移量子反常霍尔效应铁磁超导体钻孔效应

参考数据

1.贾卫国，乔，王，等.拉曼效应与参量放大相互作用下的增益谱特性* * * [J].物理学报，2012，61(19):194209-。

2.柴宏宇，贾卫国，韩峰，等.光子晶体光纤不同频段拉曼效应的增益谱[J].光学学报，2013，33 (12): 207-213。

3.里佐威。光纤中的拉曼效应[J].物理实验，2001，21 (4): 19-21。

学术论文

内容来自？

金，，张在轩，等。光纤的拉曼散射效应及其应用。《?激光和红外线？》?,?2002

张，赵颖，，魏长春，等。VHF-PECVD低温制备微晶硅薄膜的拉曼散射和发射光谱。《?物理学杂志？》?,?2005

用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度和温度。《?光学杂志？》?,?2000

柯伟忠，吴记中。银胶溶液中氨基酸的表面增强拉曼效应。《?光谱学和光谱分析？》?,?2004

李耀群，黄仙芝，陈国珍。恒能量同步荧光和恒能量同步导数荧光克服拉曼散射干扰。《?科学通报？》?,?1991