Tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của một bức xạ điện từ (photon) với vật chất. Photon tán xạ có thể có năng lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với năng lượng của photon tới. Sự khác nhau về năng lượng của photon tới và photon tán xạ tương ứng với năng lượng dao động của phân tử. Thông thường các photon tới nằm trong vùng phổ nhìn thấy, nhưng cũng có thể sử dụng các photon trong vùng hồng ngoại gần và vùng tử ngoại gần. Việc sử dụng các photon tới nằm trong vùng nhìn thấy chính là ưu thế lớn nhất của phương pháp tán xạ Raman so với phương pháp hấp thụ hồng ngoại trong việc nghiên cứu và nhận biết dao động của các phân tử. Hiện tượng tán xạ Raman có thể được mô tả như sau: Khi ánh sáng có tần số 0 đi qua môi trường vật chất, quá trình tán xạ xảy ra bao gồm quá trình tán xạ đàn hồi (tán xạ Rayleigh) và tán xạ không đán hồi (tán xạ Raman). Quá trình tán xạ
không đàn hồi sẽ sinh ra các photon với tần số lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số photon tới do dập tắt hoặc kích thích một dao động phân tử.
0
Raman
Trong đó: là tần số dao động của phân tử.
Phổ tán xạ Raman thu đựợc là các vạch rời rạc. Vạch ứng với tần số ánh sáng tán xạ nhỏ hơn tần số của ánh sáng tới gọi là các vạch Stokes, vạch tán xạ ứng với tần số ánh sáng tán xạ lớn hơn tần số ánh sáng tới gọi là vạch đối – Stokes. Tán xạ đối-Stokes chỉ có thể xảy ra khi một phân tử đang dao động khi có ánh sáng tới. Trong khi đó, các phân tử hầu hết nằm ở trạng thái cơ bản trong điều kiện thường. Các tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho thấy tỉ số giữa cường độ các vạch đối Stokes và các vạch Stokes phụ thuộc và nhiệt độ T và tuân theo quy luật: Doi Stock
Stock B I exp I k .T . (1.10)
Trong đó, ℏ là hằng số Plank, kB là hằng số Boltzmann. Từ biểu thức (1.10), ở nhiệt độ thường, cường độ vạch đối Stokes nhỏ hơn khoảng 103– 104lần so với cường độ vạch Stokes và tỉ số này càng giảm khi nhiệt độ giảm.
Cơ chế của tán xạ Raman:
Như đã nói ở trên, tán xạ Raman là tán xạ không đàn hồi của ánh sáng tới với các phân tử và dao động trong mạng trong tinh thể. Các dạng dao động trong tinh thể về cơ bản được chia làm hai loại. Loại thứ nhất, các dao động sinh ra do chuyển động tịnh tiến của các nút mạng, toàn bộ phân tử tại nút mạng thực hiện chung một dao động. Các dao động này có tần số thấp và được kích thích bởi các sóng cơ học, được gọi là các mode âm. Loại thứ hai, các dao động được sinh ra do sự phân cực điện tích trong phân tử. Các dao động này có năng lượng cao hơn và được kích thích bởi trường điện từ, được gọi là các mode quang. Như vậy, khi ánh tới tương tác với tinh thể, chúng sẽ kích thích các mode quang của dao động mạng. Tín hiệu thu được trong phổ tán xạ Raman (cũng như trong phổ hấp thụ hồng ngoại) là thông tin về các mode dao động quang trong mạng tinh thể. Sự tương tác
của ánh sáng với các tinh thể được giải thích theo hai mô hình lý thuyết, mô hình lý thuyết cổ điển và mô hình cơ học lượng tử.