Diffusione Rayleigh e Raman

La diffusione di Rayleigh  è la diffusione elastica di un’onda luminosa provocato da particelle piccole rispetto alla lunghezza d’onda dell’onda stessa

La radiazione elettromagnetica che colpisce una molecola può essere trasmessa, assorbita e diffusa e se  la collisione è elastica , la frequenza della radiazione diffusa è uguale a quella della radiazione incidente (diffusione Rayleigh).

Se la collisione non è elastica, la frequenza della radiazione diffusa è superiore o inferiore a quella della radiazione incidente  (diffusione o effetto Raman) dal fisico indiano Chandrasekhara Venkata Raman che fu il primo a osservare in fenomeno della diffusione della luce nel 1928 e vincitore del Nobel per la Fisica nel 1930.

Nell’effetto Raman i fotoni della radiazione, ritenuta per semplicità monocromatica, interagiscono con la molecola e l’energia dei fotoni diffusi è aumentata o diminuita rispetto a quella dei fotoni incidenti di incrementi quantizzati che corrispondono alle differenze energetiche tra i livelli rotazionali o vibrazionali della molecola.

Nella figura

livelli energetici
livelli energetici

Sono rappresentate le energie dei livelli fondamentale e primo livello eccitato.

Interazione fotone e molecole

Quando un fotone con energia hνo interagisce con la molecola possono verificarsi due casi:

1) la frequenza della radiazione incidente è adatta a provocare una eccitazione elettronica e la molecola passa quindi a occupare uno stato stazionario (assorbimento elettronico)

2) la frequenza della radiazione non è adatta a produrre un assorbimento elettronico e la molecola passa ad occupare uno stato instabile che non è stazionario. In questo caso la molecola non può rimanere in questo stato per lungo tempo e diffonde, quindi energia. Se il fotone diffuso ha la stessa energia del fotone di eccitazione si origina la diffusione Rayleigh. Se, però, la molecola invece di ritornare allo stato vibrazionale eccitato ν = 0 cede energia fino a raggiungere  lo stato vibrazionale eccitato ν = 1 l’energia del fotone della radiazione diffusa è uguale a:

o  – hν1 = h (νo  – ν1)

essendo ν1 la frequenza di vibrazione relativa alla transizione ν= 0 → ν= 1.

Diffusione

Nello spettro della radiazione diffusa, oltre alla linea Rayleigh compare, a frequenza inferiore, anche la linea Raman chiamata linea Stokes.

L’ultima possibilità è che la molecola, inizialmente nel livello vibrazionale eccitato ν= 1, passi allo stato instabile con energia hνo  +  hν1 e per diffusione ritorni al livello ν= 0. In questo caso il fotone della radiazione diffusa ha energia:

o  +  hν1  =  h (νo  + ν1)

e la linea spettrale ha lunghezza d’onda inferiore e frequenza maggiore della radiazione incidente (linea anti-Stokes).

linee Stokes e anti Stokes
linee Stokes e anti Stokes

Il segnale più marcato e netto corrisponde a quello di Rayleigh, tuttavia i picchi di Stokes e di anti-Stokes sono quelli che forniscono il maggior numero di informazioni utili ai fini dell’indagine. La loro intensità dipende dalla probabilità di Boltzman di trovare un elettrone su un livello ν= 1 e su ν= 0. Da ciò si ottiene che il rapporto fra le due popolazioni elettroniche è pari a:

N(ν = 1)/ N(ν = 0) = e– ΔE/KT

Dove K è la costante di Boltzman e T è la temperatura di esercizio. Il segnale anti-Stokes risulta così meno intenso rispetto a quello di Stokes.

 

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