拉曼效應

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拉曼效應是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的一個科技名詞。

語言文字是一個民族文化的結晶。這個民族過去的文化靠着它來流傳,未來的文化也仗着它來推進，從大約是在公元前14世紀，殷商後期的「甲骨文」被認為是「漢字」的第一種形式，西周後期，漢字發展演變為大篆，後秦始皇統一中國，中國文字才逐漸走上了發展的道路，直至今天。

目錄

名詞解釋

拉曼效應(Raman scattering)，也稱拉曼散射，1928年由印度物理學家拉曼發現，指光波在被散射後頻率發生變化的現象。1930年諾貝爾物理學獎授予當時正在印度加爾各答大學工作的拉曼（Sir Chandrasekhara Venkata Raman，1888——1970），以表彰他研究了光的散射和發現了以他的名字命名的定律。

定理定律

1930年諾貝爾物理學獎授予當時正在印度加爾各答大學工作的拉曼（SirChandrasekhara Venkata Raman，1888——1970年），以表彰他研究了光的散射和發現了以他的名字命名的定律。

在光的散射現象中有一特殊效應，和X射線散射的康普頓效應類似，光的頻率在散射後會發生變化。「拉曼散射」是指一定頻率的激光照射到樣品表面時，物質中的分子與光子發生能量轉移，振動態（例如：原子的擺動和扭動，化學鍵的擺動和振動）發生不同方式和程度的改變，然後散射出不同頻率的光。頻率的變化決定於散射物質的特性，不同種類的原子團振動的方式是獨一的，因此可以產生與入射光頻率有特定差值的散射光，其光譜就稱為「指紋光譜」，可以照此原理鑑別出組成物質的分子的種類。這是拉曼在研究光的散射過程中於1928年發現的。在拉曼和他的合作者宣布發現這一效應之後幾個月，蘇聯的蘭茲伯格（G.Landsberg）和曼德爾斯坦（L.Mandelstam）也獨立地發現了這一效應，他們稱之為聯合散射。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動能量和光子能量疊加的結果，利用拉曼光譜可以把處於紅外區的分子能譜轉移到可見光區來觀測。因此拉曼光譜作為紅外光譜的補充，是研究分子結構的有力武器。

發現之旅

1921年夏天，航行在地中海的客輪「納昆達」號（S.S.Narkunda）上，有一位印度學者正在甲板上用簡易的光學儀器俯身對海面進行觀測。他對海水的深藍色着了迷，一心要研究海水顏色的來源。這位印度學者就是拉曼。他正在去英國的途中，是代表了印度的最高學府——加爾各答大學，到牛津參加英聯邦的大學會議，還準備去英國皇家學會發表演講。這時他才33歲。對拉曼來說，海水的藍色並沒有什麼稀罕。他上學的馬德拉斯大學，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，就已熟悉著名物理學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 [4-5]（也叫瑞利定律）對蔚藍色天空所作的解釋。不知道是由於從小就養成的對自然奧秘刨根問底的個性，還是由於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：「深海的藍色並不是海水的顏色，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心的問題。他決心進行實地考察。於是，拉曼在啟程去英國時，行裝里準備了一套實驗裝置：幾個尼科爾稜鏡、小望遠鏡、狹縫，甚至還有一片光柵。望遠鏡兩頭裝上尼科爾稜鏡當起偏器和檢偏器，隨時都可以進行實驗。他用尼科爾稜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。這樣看到的光應該就是海水自身的顏色。結果證實，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，發現海水光譜的最大值比天空光譜的最大值更大。可見，海水的顏色只是部分由天空顏色引起的，海水自己對低頻光吸收能力大於高頻光，也是原因之一。拉曼認為這一定是起因於分子對光的散射。他在回程的輪船上寫了兩篇論文，討論這一現象，論文在中途停靠時先後寄往英國，發表在倫敦的兩家雜誌上。

研究過程

拉曼1888年11月7日出生於印度南部的特里奇諾波利。父親是一位大學數學、物理教授，自幼對他進行科學啟蒙教育，培養他對音樂和樂器的愛好。他天資出眾，16歲大學畢業，以第一名獲物理學金獎。19歲又以優異成績獲碩士學位。1906年，他僅18歲，就在英國著名科學雜誌《自然》發表了論文，是關於光的衍射效應的。由於生病，拉曼失去了去英國某個著名大學作博士論文的機會。獨立前的印度，如果沒有取得英國的博士學位，就沒有資格在科學文化界任職。但會計行業是例外，不需先到英國受訓。於是拉曼就投考財政部以謀求職業，結果獲得第一名，被授予總會計助理的職務。拉曼在財政部工作很出色，擔負的責任也越來越重，但他並不想沉浸在官場之中。他念念不忘自己的科學目標，把業餘時間全部用於繼續研究聲學和樂器理論。加爾各答有一所學術機構，叫印度科學教育協會，裡面有實驗室，拉曼就在這裡開展他的聲學和光學研究。經過十年的努力，拉曼在沒有高級科研人員指導的條件下，靠自己的努力作出了一系列成果，也發表了許多論文。1917年加爾各答大學破例邀請他擔任物理學教授，使他從此能專心致力於科學研究。他在加爾各答大學任教十六年期間，仍在印度科學教育協會進行實驗，不斷有學生、教師和訪問學者到這裡來向他學習、與他合作，逐漸形成了以他為核心的學術團體。許多人在他的榜樣和成就的激勵下，走上了科學研究的道路。其中有著名的物理學家沙哈（M.N.Saha）和玻色（S.N.Bose）。這時，加爾各答正在形成印度的科學研究中心，加爾各答大學和拉曼小組在這裡面成了眾望所歸的核心。1921年，由拉曼代表加爾各答大學去英國講學，說明了他們的成果已經得到了國際上的認同。

拉曼返回印度後，立即在科學教育協會開展一系列的實驗和理論研究，探索各種透明媒質中光散射的規律。許多人參加了這些研究。這些人大多是學校的教師，他們在休假日來到科學教育協會，和拉曼一起或在拉曼的指導下進行光散射或其它實驗，對拉曼的研究發揮了積極作用。七年間他們共發表了大約五六十篇論文。他們先是考察各種媒質分子散射時所遵循的規律，選取不同的分子結構、不同的物態、不同的壓強和溫度，甚至在臨界點發生相變時進行散射實驗。1922年，拉曼寫了一本小冊子總結了這項研究，題名《光的分子衍射》，書中系統地說明了自己的看法。在最後一章中，他提到用量子理論分析散射現象，認為進一步實驗有可能鑑別經典電磁理論和光量子碰撞理論孰是孰非。

1923年4月，他的學生之一拉瑪納桑（K.R.Ramanathan）第一次觀察到了光散射中顏色改變的現象。實驗是以太陽作光源，經紫色濾光片後照射盛有純水或純酒精的燒瓶，然後從側面觀察，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象，把它看成是由於雜質造成的二次輻射，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造成的現象。如果真是雜質的熒光，在仔細提純的樣品中，應該能消除這一效應。

在以後的兩年中，拉曼的另一名學生克利希南（K.S.Krishnan）觀測了經過提純的65種液體的散射光，證明都有類似的「弱熒光」，而且他還發現，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，這種頻率變化的現象不是熒光效應。

拉曼和他的學生們想了許多辦法研究這一現象。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.康普頓發現X射線散射後頻率變低的效應，而懷疑者正在挑起一場爭論。拉曼顯然從康普頓的發現得到了重要啟示，後來他把自己的發現看成是「康普頓效應的光學對應」。拉曼也經歷了和康普頓類似的曲折，經過六七年的探索，才在1928年初作出明確的結論。拉曼這時已經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象。他參照康普頓效應中的命名「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，竟發現展現的光譜在變散射和不變的入射光之間，隔有一道暗區。

就在1928年2月28日下午，拉曼決定採用單色光作光源，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域裡，有兩根以上的尖銳亮線。每一條入射譜線都有相應的變散射線。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現的現象稱為拉曼效應。1930年，美國光譜學家武德（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。