Efecto Raman

Dispersión Raman o el denominado Efecto Raman es una dispersión inelástica de un fotón. Cuando la luz es dispersada de un átomo o molécula, la mayoría de los fotones son dispersados elásticamente (Dispersión de Rayleigh). Los fotones dispersados tienen la misma energía (frecuencia) y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los fotones incidentes. Sin embargo, una pequeña fracción de la luz (aproximadamente 1 en 10⁷ fotones) es dispersado ópticamente a frecuencias diferentes, mayormente inferiores, que la frecuencia de los fotones incidentes. En un gas, la dispersión Raman suele ocurrir por un cambio en los estados vibracionales, rotacionales o electrónicos de una molécula (véase nivel de energía).

Historia

En el año 1922 el físico de la India Chandrasekhara Raman publicó su trabajo basado en la "Difracción molecular de la luz" siendo el primero de una serie de investigaciones con sus colaboradores hasta que el día 28 de febrero de 1928 se hizo el descubrimiento de la radiación poniéndole el nombre de dispersión Raman en su honor. El efecto Raman fue reportado inicialmente por C. V. Raman y K. S. Krishnan e independientemente por Grigory Landsberg y Leonid Mandelstam en 1928. Raman recibió el Premio Nobel en 1930 gracias a su trabajo sobre la investigación realizada sobre el fenómeno de la dispersión de la luz. En 1998 el efecto Raman fue designado por la ACS National Historical Chemical Landmark en reconocimiento por su significancia como herramienta para el análisis de la composición de líquidos, gases, y sólidos.​

La dispersión Raman: Stokes y anti-Stokes

La interacción de la luz con la materia en un régimen lineal permite simultáneamente la absorción y la emisión de luz que se ajusta a los niveles de energía ya definidos por los electrones. El efecto Raman corresponde en la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica a la absorción y consecuente emisión de un fotón mediante cambio de estado intermedio de un electrón, pasando por un estado virtual (véase también: Diagrama de Feynman). Existiendo las siguientes posibilidades:

• No existe intercambio de energía entre los fotones incidentes y las moléculas (y por lo tanto no existe efecto Raman).
• Los cambios de energía ocurren entre los fotones incidentes y las moléculas. Las diferencias de energía son iguales a las diferencias de los estados vibracionales o rotacionales de la molécula. En los cristales sólo ciertos fonones son admitidos (las soluciones de las ecuaciones de onda hacen que se cancelen unos con otros) por la estructura cristalina, de esta forma el efecto de dispersión Raman puede aparecer sólo a ciertas frecuencias. Por ejemplo, en los materiales amorfos como los vidrios, se permiten más fonones y por lo tanto los estados discretos admitidos son más amplios.

• Las moléculas absorben la energía: a esto se le denomina dispersión Stokes. El fotón resultante es de inferior frecuencia y genera una línea de Stokes en el lado rojo del espectro incidente.
• La molécula pierde energía: dispersión anti-Stokes. Los fotones incidentes son desplazados a frecuencias más elevadas (azul) del espectro, y generan por lo tanto una línea que se denomina anti-Stokes.

Las diferentes posibilidades de una luz dispersada: dispersión de Rayleigh (sin efecto Raman), la dispersión Stokes (la molécula absorbe energía) y la dispersión anti-Stokes (molécula pierde energía).

Estas diferencias en la energía medida mediante la sustracción de la energía de un láser mono-energético de luz de fotones dispersados. Los valores absolutos, sin embargo, no dependen del proceso (bien sea dispersión Stokes o anti-Stokes), debido sólo a que la energía de diferentes niveles de vibración es de cierta importancia. Por lo tanto, el espectro Raman es simétrico respecto de la banda de Rayleigh. Además las intesidades de las bandas de Raman sólo dependen del número de moléculas que ocupan los diferentes estados vibracionales, cuando el proceso comienza. La distribución de Boltzmann condiciona el número de moléculas en los estados inferiores:

${\frac {\ N_{1}}{N_{0}}}={\frac {\ g_{1}}{g_{0}}}e^{-{\frac {\Delta E_{v}}{kT}}}$ con los siguientes valores: $N_{0}$: Número de átomos en el estado inferior de vibración $N_{1}$: Número de átomos en el estado superior de vibración $g_{0}$: degeneración del estado inferior de vibración (número de modos vibracionales de la misma energía) $g_{1}$: degeneración del estado superior de vibración (número de modos vibracionales de la misma energía) $\Delta E_{v}$: diferencia de energía entre estos dos estados vibracionales k: Constante de Boltzmann T: Temperatura en kelvin

Por lo tanto el espectro de Stokes es más intenso que el espectro de anti-Stokes.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más conocidas es la espectroscopía Raman que emplea el efecto Raman para el análisis de los materiales. La frecuencia de la luz dispersada de una molécula puede ser cambiada según las características estructurales de los enlaces moleculares. Se requiere para estos casos la iluminación de una fuente de luz monocromática (láser), y el espectrograma de la luz dispersada mostrará las desviaciones causadas por los cambios de estados en las moléculas.

La espectroscopía Raman es también empleada en aquellos problemas de determinación y diagnosis de procesos de combustión. Siendo considerado como una técnica no-intrusiva, para la detección de especies y distribución de temperatura dentro de los combustores y en las llamas sin hacer perturbación del flujo principal durante la examinación.

Los estados estimulados de Raman se emplean ampliamente en la determinación de los niveles de energía de los iones atrapados, haciendo la base de los estados qubits, en los iones atrapados en quantum computing.

Véase también

• Dispersión
• Dispersión Brillouin
• Espectroscopía Raman
• Óptica no lineal
• Láser Raman

Referencias

• "A new radiation", Indian J. Phys., 2 (1928) 387 - http://www.uky.edu/~holler/raman.html
• Herzberg, Spectra of Diatomic Molecules, Litton Educational Publishing, 1950, ISBN 0-442-03385-0, pp. 61ff and 66ff

Enlaces externos

• Espectrometría Raman
• Explanation from Hyperphysics in Astronomy section of gsu.edu (en inglés)
• Raman Spectroscopy - Tutorial (en inglés)