ラマン散乱

ラマン顕微鏡は物質にレーザのような強い単色光を照射し、散乱される光を分光器に通し観測します。このとき観測している現象がラマン散乱です。ラマン散乱は、1928年、インドのC.V.Raman博士によって発見された現象で、Raman博士はノーベル賞を受賞しています。
ラマン散乱とはサンプルに単一の振動数(ν0)の強い光を照射したとき、そこから散乱される光の振動数を観測すると元の振動数(波長)とは、違う光が観測される現象です。
サンプルに入射した光の大部分は、分子・原子に衝突した後も同じ周波数を持っている光を散乱します。レーリー散乱とよばれます。ところが、一部の光はサンプルに衝突した際に、分子・原子の振動分のエネルギーが足し引きされ、入射した光とは異なるエネルギーの光、つまり、振動数の異なった光となって散乱されます。この光をラマン散乱光とよびます。下の図のように、分子が光の方向に振動していると考えると、光源に向かって分子が移動しているときは、光のエネルギーが打ち消され、離れて行くときは加算されることが、理解できるでしょう。

ラマン効果

ラマン散乱光のうち、レーリー散乱よりエネルギーの小さい(振動数の小さくなった)方をストークス散乱(v0-v1)といい、大きくなった方をアンチストークス散乱(v0+v1)といいます。ラマン顕微鏡は散乱強度の大きいストークス散乱を観測します。
当初、散乱強度の小さいアンチストークス散乱は観測できず、観測できたストークス散乱がラマン散乱と呼ばれていました。
レーリー散乱(入射)光との波長のずれ量は、ラマンシフトとよばれ、原子・分子の振動状態を反映する数値となります。実際の分子は模式図のような単純ではなく、多くの原子が複雑に結びついているため、いろいろな結合部分でそれぞれの波長を散乱します。しかし、その分布(スペクトル)はその物質に特有な為、物質の特定を行うことができます。例えば、同じ炭素だけでできた、ダイヤモンドとグラファイトは、元素の分析だけを行っても炭素としかわかりませんが、結晶構造が違う為、異なるラマンスペクトルを持っています。

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