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.

 

ARGOMENTI

GLI ULTIMI ARGOMENTI

Nitruro di gallio

Dendrimeri PAMAM

TI POTREBBE INTERESSARE

Resa percentuale in una reazione. Esercizi svolti e commentati

La resa percentuale di una reazione costituisce un modo per valutare l'economicità di una reazione industriale che può essere accantonata se è bassa. Si possono...

Bilanciamento redox in ambiente basico: esercizi svolti

Il bilanciamento di una reazione redox in ambiente basico  può avvenire con  il metodo delle semireazioni. Nel bilanciamento vanno eliminati di eventuali ioni spettatori...

Temperature di ebollizione di composti organici

Le temperature di ebollizione dei composti organici forniscono informazioni relative alle loro proprietà fisiche e alle caratteristiche della loro struttura e costituiscono una delle...