什麼是拉曼散射？

我們講解了拉曼效應的原理，以及C. V. Raman教授是如何發現拉曼效應的。

科學家使用拉曼光譜來瞭解物質的化學成分和結構。 我們將單一波長的雷射聚焦到樣品上。 少量的光會與物質的化學鍵相互作用並在散射過程中改變顏色。 我們可以使用拉曼光譜儀來量測非彈性散射光並獲得樣品的相關資訊。 我們還介紹了顯微拉曼光譜儀的各個部件，以及每個部件對於採集良好光譜的重要性。

什麼是光譜科技？

我們使用光譜科技來量測光與物質相互作用後的顏色和相對强度。 光譜科技可以告訴我們物質的化學組成及物理或電子結構。

光與物質以不同的管道相互作用，光會透射通過某些物質，而在其他物質上會發生反射或散射。 這種相互作用受到物質及光的顏色（波長）的影響。

可見光譜的哪些部分進入我們的眼睛决定了我們會感知到哪些顏色。 例如，如果物質吸收了光譜的紅色部分，則該物質可能會呈現藍色。 只有可見光譜的藍色部分被反射或散射到我們的眼睛中。

光與物質相互作用的過程中產生的幾種基本現象光與物質相互作用的過程中產生的幾種基本現象。
誰發現了拉曼光譜？


拉曼散射過程以發現者—著名的印度物理學家、爵士Chandrasekhara Venkata Raman教授的名字命名。 C.V.Raman教授和他的學生K. S.Krishnan揭示了，光穿過透明物質時會發生顏色變化。 光通過與分子振動相互作用而改變顏色和能量。 這就是非彈性拉曼散射過程。 當時，其他科學家將拉曼效應視為量子理論最具說服力的證明之一。 C.V.Raman教授因為這一偉大發現獲得了1930年諾貝爾物理學獎。
C.V.Raman教授於1928年就發現了拉曼效應。 然而，直到幾十年後，雷射、探測器和計算科技的進步才促進了高效拉曼系統的發展。 拉曼光譜儀現在是實驗室和製造領域中必不可少的工具。

如何檢測拉曼效應？

您可以使用拉曼光譜儀量測拉曼效應。 第一步是用單色光（例如雷射）照射樣品。 如果您將藍光照射到某種物質上，您可能認為只會看到它反射的藍光。 大部分散射光的能量保持不變（“瑞利散射”）。

只有大約千萬分之一的散射光會發生拉曼散射。 使用拉曼光譜儀，您可以檢測出顏色和頻率發生變化的拉曼散射光。 在散射過程中，光與分子振動相互作用，因而發生頻率改變。 發生拉曼散射是因為光子（光的粒子）和物質中的分子振動交換了一部分能量。
拉曼光譜儀如何量測振動模式？


拉曼光譜儀通過分析散射光來量測振動模式之間的能量差。 當光子作用於分子，導致其電子雲極化並暫時提升至一個“虛擬”能級狀態時，便產生了散射現象。 如果光子在散射過程中改變能量，就會發生拉曼散射。 這種現象的原因在於，受激分子通過能量鬆弛過程，過渡到了一個與原始狀態相比，能量更高或更低的振動能級。
拉曼散射是非彈性的，因為光子通過與分子振動能級相互作用來改變能量。 當散射光失去能量時，拉曼散射被稱為“斯托克斯”。 當散射光獲得能量時，拉曼散射被稱為“反斯托克斯”。 當分子從基態因吸收能量而暫時躍遷至一個虛擬能級，隨後降落至一個能量高於初始基態的振動能級時，便產生了斯托克斯拉曼散射現象。 當分子處於振動激發態時，它可以吸收光子並躍遷到一個更高的虛擬能量狀態，隨後該分子釋放能量，從虛態回落至基態。 在這個過程中，即發生反斯托克斯拉曼散射。 我們很少使用反斯托克斯拉曼光，因為它的强度不如斯托克斯拉曼光。 然而，它確實代表了分子的等效振動資訊。

與之相反，當分子返回到基態時，就會發生瑞利散射。 它釋放出與入射光子能量相同的光子。 囙此，瑞利散射光與入射光的頻率和顏色相同。 瑞利散射光的强度約為拉曼散射光的107倍。 現代光譜儀使用高效濾光片來去除瑞利散射光，以便成功檢測拉曼散射。

拉曼散射的機制類似於紅外（IR）吸收光譜，但適用不同的選擇規則。 在振動過程中需要改變分子極化率，才會發生拉曼散射。 某些振動在拉曼光譜中可以看到，但在紅外光譜中看不到，反之亦然。 例如，與紅外吸收光譜不同，拉曼光譜可以分析金剛石中的碳鍵。

拉曼頻移能告訴您什麼？

拉曼頻移是入射雷射與散射光之間的能量差。 能量的改變取決於分子中原子的振動頻率。 通過研究分子振動，我們可以發現物質的化學和結構組成。
如果拉曼頻移或能量變化較大，則表示分子的振動頻率很高。 這是由於輕原子通過强鍵結合在一起。 相反，如果拉曼頻移或能量變化較小，則表示分子的振動頻率很低。 這是由於重原子通過弱鍵結合在一起。

顯微拉曼光譜儀的部件
典型顯微拉曼光譜儀的前端是光學顯微鏡。 它連接到激發雷射器、瑞利濾光片、光譜儀和探測器。 拉曼效應非常微弱； 僅大約千萬分之一的散射光會因為頻移而發生顏色變化。 這種效應太微弱，不能通過裸眼觀察，所以我們需要借助高靈敏度拉曼光譜儀觀察這部分散射光。