拉曼的發現 (Discovery of Raman)

拉曼效應(Raman effect)由觀察者印度科學家「錢德拉塞卡拉．拉曼 (英語：Sir Chandrasekhara Venkata Raman)」的名字來命名，是指光波在被散射後波長(頻率)發生改變的現象。

拉曼的實驗 (Experiment)

圖  1：拉曼實驗示意圖1，光源未照射於物體上。

光源：太陽光經過透鏡作用平行射入濾光片1。

濾光片1：可過濾出特定波長之光線，阻擋其他波長。

濾光片2：與濾光片1具有互補性，可完全阻擋濾光片1濾出之波長，且允許其他波長通過。

散射物體：具有拉曼散射的物體。

觀察者：觀察者一員。

現象與說明：當太陽光被濾光片1濾出特定波長後，將會被濾光片2完全阻擋，故觀察者看不到任何光線。

圖 2：拉曼實驗示意圖2，光源照射於物體上，並產生拉曼散射。

現象與說明：當太陽光被濾光片1濾出特定波長後照射散射物體，被物體散射之光線經過濾光片2後，觀察者依然可以看到些許光線。這代表物體的散射光線，除了濾光片1濾出的波長外，還產生了其他波長的光線，說明物體散射的光線可能產生一些特殊作用 (拉曼散射)。

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光子的彈性碰撞與非彈性碰撞 (Elastic and inelastic collisions in photons)

當光子與直徑大於自己波長的粒子碰撞時，會導致行徑方向偏折。多數光子發生彈性碰撞(Elastic collision)，散射出來的光子跟射入前的光子，其波長、頻率、能量皆相同，稱為瑞立散射(Rayleigh scattering)。

而有一小部份光子，會與介質分子發生非彈性碰撞(Inelastic collision)，出現能量交換，故散射後光子，其波長、頻率、能量會產生變化，稱為拉曼散射(Raman scattering)。

拉曼散射可依光子在碰撞過程中的能量變化分為如下兩類，可參考 ” 圖 3：拉曼訊號與分子能階作用的關係”

1. 史托克斯散射(Stokes scattering)：材料吸收能量，導致散射光子能量低於入射光子(波長則大於入射光子)，為多數情況。

2. 反史托克斯散射(Anti-Stokes scattering)：材料失去能量，導致散射光子能量高於入射光子(波長則小於入射光子)，為少數情況。

圖 3：拉曼訊號與分子能階作用的關係

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拉曼的應用 (Applications)

拉曼光譜在化學領域中用於鑑別分子並研究化學鍵和分子內鍵結。由於分子的化學鍵及對稱性具有特定的振動頻率（有機分子的指紋區(fingerprint region)在波數 500 - 1,500 cm⁻¹ 內），故可以提供了鑑別分子的光譜指紋。例如，在正規坐標分析(normal coordinate analyses)的基礎上，使用拉曼光譜和紅外光譜鑑別 SiO、Si₂O₂ 和 Si₃O₃ 的振動頻率，也用於研究酵素中基質(substrate)的添加。在固態物理學中，拉曼光譜用於材料表徵(materials characterization)、測量溫度(temperature measurement)或定義樣品晶格的方向(crystallographic orientation)。

拉曼的極化分析 (Polarization dependence of Raman scattering)

拉曼散射具有偏振靈敏性 (polarization sensitive)，可以提供樣品在拉曼活性下對稱性資訊。拉曼光譜的偏振效應可以展現(reveal)單晶和各向異性材料的分子方向資訊，例如應變塑膠片(strained plastic sheets)，以及振動模式的對稱性。

顯微拉曼(Raman microscope)

顯微拉曼以標準光學顯微鏡為基礎，增加1. 激發雷射(excitation laser)、2. 雷射抑制濾光片(laser rejection filters)、3. 分光光度計(spectrometer)或單光器(monochromator)、以及4. 光敏檢知器(optical sensitive detector)，例如電荷耦合元件 (CCD) 或光電倍增管 (PMT)。最初發展為測量樣品特定位置的拉曼光譜，近年來該技術已經為拉曼光譜儀的主要設計，以直接對樣品進行可視範圍內的三維化學成像(chemical imaging)。

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