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  晁凡娜 2016-04-21 00:00:00

  1.概念： 拉曼效應(yīng)(Raman scattering)，也稱拉曼散射，1928年由印度物理學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)，指光波在被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。1930年諾貝爾物理學(xué)獎授予當時正在印度加爾各答大學(xué)工作的拉曼（Sir Chandrasekhara Venkata Raman，1888——1970），以表彰他研究了光的散射和發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的定律。 概述 1930年諾貝爾物理學(xué)獎授予當時正在印度加爾各答大學(xué)工作的拉曼（SirChandrasekhara Venkata Raman，1888——1970年），以表彰他研究了光的散射和發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的定律。 在光的散射現(xiàn)象中有一特殊效應(yīng)，和X射線散射的康普頓效應(yīng)類似，光的頻率在 散射后會發(fā)生變化?！袄⑸洹笔侵敢欢l率的激光照射到樣品表面時，物質(zhì)中的分子吸收了部分能量，發(fā)生不同方式和程度的振動（例如：原子的擺動和扭動， 化學(xué)鍵的擺動和振動），然后散射出較低頻率的光。頻率的變化決定于散射物質(zhì)的特性，不同原子團振動的方式是惟一的，因此可以產(chǎn)生特定頻率的散射光，其光譜 就稱為“指紋光譜”，可以照此原理鑒別出組成物質(zhì)的分子的種類。這是拉曼在研究光的散射過程中于1928年發(fā)現(xiàn)的。在拉曼和他的合作者宣布發(fā)現(xiàn)這一效應(yīng)之后幾個月，蘇聯(lián)的蘭茲伯格（G.Landsberg）和曼德爾斯坦（L.Mandelstam）也獨立地發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)，他們稱之為聯(lián)合散射。拉曼光譜是入射光子和分子相碰撞時，分子的振動能量或轉(zhuǎn)動能量和光子能量疊加的結(jié)果，利用拉曼光譜可以把處于紅外區(qū)的分子能譜轉(zhuǎn)移到可見光區(qū)來觀測。因此拉曼光譜作為紅外光譜的補充，是研究分子結(jié)構(gòu)的有力武器。 2發(fā)現(xiàn)之旅 1921年夏天，航行在地中海的客輪“納昆達”號（S.S.Narkunda）上，有一位印度學(xué)者正在甲板上用簡易的光學(xué)儀器俯身對海面進行觀測。他對海水的深藍色著了迷，一心要研究海水顏色的來源。這位印度學(xué)者就是拉曼。他正在去英國的途中，是代表了印度的Z高學(xué)府——加爾各答大學(xué)，到牛津參加英聯(lián)邦的大學(xué)會議，還準備去英國學(xué)會發(fā)表演講。這時他才33歲。對拉曼來說，海水的藍色并沒有什么稀罕。他上學(xué)的馬德拉斯大學(xué)，面對本加爾（Bengal）海灣，每天都可以看到海灣里變幻的海水色彩。事實上，他早在16歲（1904年）時，就已熟悉物理學(xué)家瑞利用分子散射中 散射光強與波長四次方成反比的定律（也叫瑞利定律）對蔚藍色天空所作的解釋。不知道是由于從小就養(yǎng)成的對自然奧秘刨根問底的個性，還是由于研究光散射問題 時查閱文獻中的深入思考，他注意到瑞利的一段話值得商榷，瑞利說：“深海的藍色并不是海水的顏色，只不過是天空藍色被海水反射所致。”瑞利對海水藍色的論述一直是拉曼關(guān)心的問題。他決心進行實地考察。于是，拉曼在啟程去英國時，行裝里準備了一套實驗裝置：幾個尼科爾棱鏡、小望遠鏡、狹縫，甚至還有一片光柵。望遠鏡兩頭裝上尼科爾棱鏡當起偏器和檢偏器，隨時都可以進行實驗。他用尼科爾棱鏡觀察沿布儒斯特角從 海面反射的光線，即可消去來自天空的藍光。這樣看到的光應(yīng)該就是海水自身的顏色。結(jié)果證實，由此看到的是比天空還更深的藍色。他又用光柵分析海水的顏色， 發(fā)現(xiàn)海水光譜的Z大值比天空光譜的Z大值更偏藍?？梢姡Ｋ念伾⒎怯商炜疹伾鸬?，而是海水本身的一種性質(zhì)。拉曼認為這一定是起因于水分子對光的散射。他在回程的輪船上寫了兩篇論文，討論這一現(xiàn)象，論文在中途?？繒r先后寄往英國，發(fā)表在倫敦的兩家雜志上。 3研究過程 拉曼1888年11月7日出生于印度南部的特里奇諾波利。父親是一位大學(xué)數(shù)學(xué)、物理教授，自幼對他進行科學(xué)啟蒙教育，培養(yǎng)他對音樂和樂器的愛好。他天資出眾，16歲大學(xué)畢業(yè)，以diyi名獲物理學(xué)金獎。19歲又以優(yōu)異成績獲碩士學(xué)位。1906年，他僅18歲，就在英國科學(xué)雜志《自然》發(fā)表了論文，是關(guān)于光的衍射效應(yīng)的。由于生病，拉曼失去了去英國某個大學(xué)作博士論文的機會。獨立前的印度，如果沒有取得英國的博士學(xué)位，就沒有資格在科學(xué)文化界任職。但會計行業(yè)是唯yi的例外，不需先到英國受訓(xùn)。于是拉曼就投考財政部以謀求職業(yè)，結(jié)果獲得diyi名，被授予總會計助理的職務(wù)。拉曼在財政部工作很出色，擔負的責任也越來越重，但他并不想沉浸在官場之中。他念念不忘自己的科學(xué)目標，把業(yè)余時間全部用于繼續(xù)研究聲學(xué)和樂器理論。加爾各答有 一所學(xué)術(shù)機構(gòu)，叫印度科學(xué)教育協(xié)會，里面有實驗室，拉曼就在這里開展他的聲學(xué)和光學(xué)研究。經(jīng)過十年的努力，拉曼在沒有高級科研人員指導(dǎo)的條件下，靠自己的 努力作出了一系列成果，也發(fā)表了許多論文。1917年加爾各答大學(xué)破例邀請他擔任物理學(xué)教授，使他從此能專心致力于科學(xué)研究。他在加爾各答大學(xué)任教十六年 期間，仍在印度科學(xué)教育協(xié)會進行實驗，不斷有學(xué)生、教師和訪問學(xué)者到這里來向他學(xué)習、與他合作，逐漸形成了以他為核心的學(xué)術(shù)團體。許多人在他的榜樣和成就的激勵下，走上了科學(xué)研究的道路。其中有的物理學(xué)家沙哈（M.N.Saha）和玻色（S.N.Bose）。這時，加爾各答正在形成印度的科學(xué)研究ZX，加爾各答大學(xué)和拉曼小組在這里面成了眾望所歸的核心。1921年，由拉曼代表加爾各答大學(xué)去英國講學(xué)，說明了他們的成果已經(jīng)得到了國際上的認同。 拉曼返回印度后，立即在科學(xué)教育協(xié)會開展一系列的實驗和理論研究，探索各種透明媒質(zhì)中光散射的規(guī)律。許多人參加了這 些研究。這些人大多是學(xué)校的教師，他們在休假日來到科學(xué)教育協(xié)會，和拉曼一起或在拉曼的指導(dǎo)下進行光散射或其它實驗，對拉曼的研究發(fā)揮了積極作用。七年間 他們共發(fā)表了大約五六十篇論文。他們先是考察各種媒質(zhì)分子散射時所遵循的規(guī)律，選取不同的分子結(jié)構(gòu)、不同的物態(tài)、不同的壓強和溫度，甚至在臨界點發(fā)生相變時進行散射實驗。1922年，拉曼寫了一本小冊子總結(jié)了這項研究，題名《光的分子衍射》，書中系統(tǒng)地說明了自己的看法。在Z后一章中，他提到用量子理論分析散射現(xiàn)象，認為進一步實驗有可能鑒別經(jīng)典電磁理論和光量子碰撞理論孰是孰非。 1923年4月，他的學(xué)生之一拉瑪納桑（K.R.Ramanathan）diyi次觀察到了光散射中顏色改變的現(xiàn)象。實驗是以太陽作光源，經(jīng)紫色濾光片后照射盛有純水或純酒精的燒瓶，然后從側(cè)面觀察，卻出乎意料地觀察到了很弱的綠色成份。拉瑪納桑不理解這一現(xiàn)象，把它看成是由于雜質(zhì)造成的二次輻射，和熒光類似。因此，在論文中稱之為“弱熒光”。然而拉曼不相信這是雜質(zhì)造成的現(xiàn)象。如果真是雜質(zhì)的熒光，在仔細提純的樣品中，應(yīng)該能消除這一效應(yīng)。 在以后的兩年中，拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經(jīng)過提純的65種液體的散射光，證明都有類似的“弱熒光”，而且他還發(fā)現(xiàn)，顏色改變了的散射光是部分偏振的。眾所周知，熒光是一種自然光，不具偏振性。由此證明，這種波長變化的現(xiàn)象不是熒光效應(yīng)。 拉曼和他的學(xué)生們想了許多辦法研究這一現(xiàn)象。他們試圖把散射光拍成照片，以便比較，可惜沒有成功。他們用互補的濾光片，用大望遠鏡的目鏡配短焦距透鏡將太陽聚焦，試驗樣品由液體擴展到固體，堅持進行各種試驗。 與此同時，拉曼也在追尋理論上的解釋。1924年拉曼到美國訪問，正值不久前A.H.康普頓發(fā)現(xiàn)X射線散射后波長變 長的效應(yīng)，而懷疑者正在挑起一場爭論。拉曼顯然從康普頓的發(fā)現(xiàn)得到了重要啟示，后來他把自己的發(fā)現(xiàn)看成是“康普頓效應(yīng)的光學(xué)對應(yīng)”。拉曼也經(jīng)歷了和康普頓 類似的曲折，經(jīng)過六七年的探索，才在1928年初作出明確的結(jié)論。拉曼這時已經(jīng)認識到顏色有所改變、比較弱又帶偏振性的散射光是一種普遍存在的現(xiàn)象。他參照康普頓效應(yīng)中的命名“變線”，把這種新輻射稱為：“變散射”（modified scattering）。拉曼又進一步改進了濾光的方法，在藍紫濾光片前再加一道鈾玻璃，使入射的太陽光只能通過更窄的波段，再用目測分光鏡觀察散射光，竟發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)的光譜在變散射和不變的入射光之間，隔有一道暗區(qū)。 就在1928年2月28日下午，拉曼決定采用單色光作光源，做了一個非常漂亮的有判決意義的實驗。他從目測分光鏡看散射光，看到在藍光和綠光的區(qū)域里，有兩根以上的尖銳亮線。每一條入射譜線都有相應(yīng)的變散射線。一般情況，變散射線的頻率比入射線低，偶爾也觀察到比入射線頻率高的散射線，但強度更弱些。 不久，人們開始把這一種新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。1930年，美國光譜學(xué)家武德（R.W.Wood）對頻率變低的變散射線取名為斯托克斯線；頻率變高的為反斯托克斯線。

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