Dispersión Raman

Cuando la luz se encuentra con las moléculas del aire, el modo predominante de dispersión es la dispersión elástica llamada dispersión de Rayleigh. Esta dispersión es responsable del color azul del cielo; aumenta con la cuarta potencia de la frecuencia y es más eficaz en longitudes de ondas cortas. También es posible que los fotones incidentes interactuen con las moléculas de tal manera que ganen o pierdan energía, de modo que los fotones dispersos son desplazados en frecuencia. Tal dispersión inelástica se denomina dispersión Raman.

Al igual que la dispersión de Rayleigh, la dispersión Raman depende de la polarizabilidad de las moléculas. En las moléculas polarizables, la energía del fotón incidente puede excitar modos de vibración de las moléculas, produciendo fotones dispersos con energías disminuidas en la cantidad de la energía de transición de vibración. Un análisis espectral de la luz dispersada en estas circunstancias, revelará líneas espectrales satélites por debajo del pico de dispersión de Rayleigh a la frecuencia incidente. Estas líneas se llaman "líneas de Stokes". Si hay excitación significativa de estados excitados vibracionales de las moléculas en dispersión, entonces también es posible observar dispersión a frecuencias superiores a la frecuencia incidente, ya que se añade la energía de vibración a la energía del fotón incidente. Estas líneas, por lo general más débiles, se llaman líneas anti-Stokes.

Aunque encuentra alguna aplicación en la espectroscopia vibracional de moléculas, el uso de fuentes infrarrojas directas en la espectroscopia es generalmente mucho más fácil. La espectroscopia Raman ha encontrado alguna aplicación en la monitorización remota de contaminantes. Por ejemplo, la dispersión producida por un rayo láser dirigido al penacho de una chimenea industrial, puede ser utilizado para controlar los efluentes de los niveles de moléculas que pueden producir reconocibles líneas Raman.

La dispersión Raman puede implicar también transiciones rotacionales de las moléculas de las cuales se producen la dispersión. Thornton y Rex dibujan un fotón de energía ligeramente superior a la separación de energía de los dos niveles que se están dispersando, con el exceso de energía liberada en forma de un fotón de menor energía. Como se trata de un proceso de dos fotones, la regla de selección es ΔJ = +/-2 para transiciones Raman rotacionales. El esquema siguiente es una representación idealizada de una línea Raman producida por la interacción de un fotón con una molécula diatómica, para la cual los niveles de energía de rotación dependen de un momento de inercia. El estado electrónico superior de tal molécula puede tener diferentes niveles de energia vibracional y rotacional. En este caso se muestra el estado superior que está en estado rotacional J, con una dispersión asociada con un fotón entrante con energía igual al del estado J+2.

Puesto que el efecto Raman depende de la polarizabilidad de la molécula, se puede observar en moléculas que no tienen momento dipolar neto y por tanto no produce espectro rotacional puro. Este proceso puede proporcioar información sobre el momento de inercia y por consiguiente la estructura de la molécula.

En la dispersión Raman, una intensa fuente de luz monocromática (láser) puede dar luz dispersada que incluya una o más "bandas laterales", que están desplazadas por la diferencia de energía de rotación y/o vibración. Esto es potencialmente muy útil para la detección a distancia, ya que las frecuencias de banda lateral contienen información sobre el medio de dispersión que podría ser útil para la identificación. Los proyectos actuales prevén la dispersión Raman, como una herramienta para la identificación de formas minerales en Marte. Estos sensores remotos podría convertirse en una herramienta importante en la exploración planetaria.

C. V. Raman

C. V. Raman descubrió el fenómeno de dispersión inelástica que lleva su nombre en 1928 y por ello fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1930. La dispersión Raman produce fotones dispersos que difieren en frecuencia por la fuente de radiación que lo causa, y la diferencia se relaciona con las propiedades de vibración y/o rotación de las moléculas de las cuales se producen la dispersión. Se ha vuelto más prominente en los años transcurridos desde que poderosas fuentes de láser monocromáticas podrían proporcionar la energía de dispersión.