什么是拉曼效应?

拉曼效应的发现

1922年9月,拉曼的《光的分子衍射》一书由加尔各答大学出版社出版。书中重点介绍了这一时期的研究成果,最后提到如果散射过程可以看作是光量子和散射分子之间的碰撞,将会产生与经典电磁理论预期不同的结果。这个想法比康普顿效应的发现早一年提出(1923)。正如拉曼自己所说,“这个课题的意义远远超出了我工作的具体目的,它开拓了一个非常广阔的研究领域。”

随后,拉曼和他的助手在1923中发现了一种荧光效应。当时,他们以太阳光为光源,通过蒸馏水观测其散射线。他们发现,如果在入射光线的光路中放置一个紫色滤光片,发射出的散射光线的去偏振会明显增加。然后他们进一步观察了可见光被许多物质,特别是一些液体散射的情况,结果他们观察到了第二条射线,与通常的散射线相比,波长有微小的变化。他们将这种微弱的射线归因于当时的某种“荧光”现象。

在此期间,康普顿关于发现X射线散射新效应的论文发表。拉曼在美国学习时有机会与康普顿面对面讨论他的新发现。这对拉曼拓宽思路,引发某种联想很有帮助。

拉曼和他的助手不敢轻易对“荧光”现象下任何结论。这是因为这个次级射线太弱了。要对它进行任何深入的研究,首先要对它进行提纯或分离。经过长时间的努力,他们逐渐找到了分离这种“荧光”效应的实验手段;他们利用实验室屋顶的定日镜将太阳光送入实验室,汇聚后入射到实验样品(液体或固体材料)上,在入射和出射光路上分别放置一对互补滤光片(他们通常使用一对蓝、紫、绿滤光片)。发现通过样品的蓝色散射光在通过绿色滤色片后并没有完全消失,可以观察到相当暗淡的光。根据实验装置的特点,可以得出结论,这种光线的波长应该与入射的蓝光不同,但可以解释为样品中的一些杂质激发的荧光。

这个解释后来被大量实验所否定。因为:(1)这种现象无一例外地存在于80多个不同的、经过精心提纯的液体样本中;这些样品不会都含有杂质;(2)尤其是在甘油(丙三醇)样品的实验中,不仅这种现象明显,而且最终输出的光线已经偏振,成为与自然光完全不同的偏振光。这说明原本认为是荧光的射线其实是一种特殊的二次辐射,这种效应是一种普遍效应。拉曼和他的助手将这一现象与克拉姆斯-海森堡的发散理论联系起来,并将其命名为“分子散射”。经过五年多的探索和研究,于2月1928取得突破。而且只用了几天就回答了“会水到渠成”这句老话。1928,16年2月,拉曼通过电报向《自然》杂志发送了第一份报告,简要描述了这一新发现及其实验和理论解释。从那以后,这两篇论文通过电报被送到了《自然》杂志。后来的事实证明,他的苦心并非没有道理。

拉曼和他的助手努力改进实验装置,最终用大口径聚光镜、汞弧灯和滤光片获得了强单色光。1928年2月28日下午,他们用改进后的装置观测液体散射光光谱时,清晰地观测到了一些汞弧光中没有的谱线,也证实了散射光不仅有红移,还有紫移。经过长期深入的研究,终于发现了拉曼效应。