拉曼光谱学

拉曼光谱学利用分子对光的非弹性散射来探测振动和转动跃迁，提供与红外吸收互补的结构信息。

Definition

拉曼光谱学是测量分子非弹性散射光的学科，其中散射光子的能量因分子振动或转动量子而发生位移；该效应要求分子在运动过程中极化率发生变化，使其与基于偶极子的红外吸收互补。

Scope

本主题涵盖拉曼效应及其作为光谱技术的使用：光子与分子交换振动或转动能量量子的非弹性散射、斯托克斯和反斯托克斯位移、基于极化率的选择规则，以及与红外光谱的互补性。它介绍了共振和表面增强拉曼变体以及激光激发的作用。

Core questions

• 拉曼效应的物理起源是什么？
• 斯托克斯散射和反斯托克斯散射有何区别？
• 为什么拉曼活性取决于极化率而非偶极矩？
• 拉曼光谱学如何补充红外光谱学？

Key concepts

• 非弹性（拉曼）散射
• 斯托克斯线和反斯托克斯线
• 瑞利散射
• 极化率变化
• 互斥规则
• 共振和表面增强拉曼

Key theories

拉曼效应

分子散射的一小部分光会因振动或转动量子而发生频率偏移：斯托克斯线（光子失去能量）和反斯托克斯线（光子获得能量）对称地出现在未偏移的瑞利线两侧。

极化率选择规则和互补性

拉曼散射要求分子在振动过程中极化率发生变化，因此对于具有对称中心的分子，拉曼活性模式和红外活性模式是互斥的——即互斥规则——这两种技术结合起来可以提供完整的振动信息。

Clinical relevance

拉曼光谱学提供了一种无损的分子指纹，广泛应用于化学和药物分析、材料和矿物鉴定，并越来越多地用于生物医学诊断和安全筛查，其中表面增强和共振变体可提供低至单分子的极高灵敏度。

History

斯梅卡尔于1923年从理论上预测了非弹性光散射，拉曼和克里希南于1928年通过实验观察到该现象，这一发现使拉曼获得了1930年诺贝尔物理学奖。最初由于该效应的微弱性而难以应用，但随着强激光源的出现，拉曼光谱学转变为一种常规分析工具。

Key figures

• Chandrasekhara Venkata Raman
• Kariamanikkam Srinivasa Krishnan
• Adolf Smekal

Seminal works

• raman1928
• long2002

Frequently asked questions

为什么反斯托克斯线比斯托克斯线弱？

反斯托克斯散射要求分子从激发振动能级开始，而该能级在常温下填充率低于基态。由于能够以这种方式散射的分子较少，反斯托克斯线较弱，并且它们与斯托克斯线的比率可以测量温度。

拉曼光谱学与红外光谱学有何不同？

红外吸收需要偶极矩的变化，而拉曼散射需要极化率的变化。对于中心对称分子，两者是互斥的，因此这两种技术是互补的，可以共同揭示所有振动模式。