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Cosa si intende per diffusione Raman

Spiegheremo la teoria alla base dell'effetto Raman e della sua scoperta da parte del professore C.V. Raman.

Gli scienziati utilizzano la spettroscopia Raman per conoscere la chimica e la struttura dei materiali. Una luce laser con lunghezza d'onda singola viene focalizzata su un campione. Una piccola quantità di luce interagisce con i legami chimici del materiale e cambia colore durante la diffusione. Lo spettrometro Raman può essere usato per misurare la luce che si diffonde in modo anelastico e ottenere informazioni sul campione. Descriveremo anche i vari componenti di un microscopio Raman, spiegando il loro ruolo nel processo di raccolta degli spettri.

Cos'è la spettroscopia?

La spettroscopia serve a misurare i colori e l'intensità relativa della luce dopo la sua interazione con i materiali. La spettroscopia può fornire informazioni sulla composizione chimica e sulla struttura fisica o elettronica dei materiali.

La luce interagisce con la materia in vari modi: in alcuni casi attraversa il materiale: mentre altre volte viene riflessa o ancora si diffonde. Sia il tipo di materiale sia il colore (lunghezza d'onda) della luce influiscono sul processo di interazione.

Le frazioni di spettro della luce visibile che giungono al nostro occhio determinano i colori che percepiamo. Ad esempio, una sostanza può apparire blu se assorbe la componente rossa dello spettro di luce che la colpisce. In questo caso, solo le parti blu dello spettro visibile verranno riflesse (o diffuse) verso i nostri occhi.

I principali processi della luce durante l'interazione con un materiale I principali processi della luce durante l'interazione con un materiale.

Chi ha scoperto la spettroscopia Raman?

Il processo di diffusione Raman prende il nome dal suo scopritore, il celebre fisico indiano Chandrasekhara Venkata Raman. Il professor Raman, insieme allo studente K.S. Krishnan si resero conto che la luce cambiava di colore quando attraversava un materiale trasparente. La variazione di colore ed energia era dovuta all'interazione con le vibrazioni molecolari. Quello che oggi viene definito il processo di diffusione anelastica Raman. All'epoca, l'effetto Raman venne accolto da molti scienziati come la prova più convincente a supporto della teoria quantistica. Il professor Raman scoprì l'omonimo effetto nel 1928 e, per questo,

venne insignito del premio Nobel per la fisica nel 1930. Tuttavia, passarono decenni prima che i progressi tecnologici nel campo dei laser, dei rilevatori e dei computer consentissero di sviluppare sistemi Raman efficienti. Oggi, la spettroscopia Raman rappresenta uno strumento fondamentale per laboratori e aziende manifatturiere.

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Come si rileva l'effetto Raman?

Per misurare l'effetto Raman occorre uno spettrometro apposito. Il primo passaggio consiste nell'illuminare il campione con luce a colore singolo, prodotta da un laser. Se si utilizza una luce blu, il materiale rifletterà solo luce blu. La gran parte della luce diffusa non subisce variazioni energetiche (diffusione di Rayleigh).

Solo 1 parte su 10 milioni della luce diffusa rientra nella diffusione Raman. Lo spettrometro Raman consente di rilevare la luce diffusa che ha cambiato colore a seguito di una variazione di frequenza. dovuta all'interazione con le vibrazioni molecolari. La differenza Raman si verifica perché i fotoni (particelle di luce) scambiano parte della loro energia con le vibrazioni molecolari del materiale.

In che modo la spettroscopia Raman misura i modi vibrazionali?

La spettroscopia Raman analizza la luce diffusa per misurare la differenza di energia fra i modi vibrazionali. La diffusione si verifica quando un fotone polarizza la nube di elettroni di una molecola e la innalza a uno stato di energia "virtuale". La diffusione Raman si verifica se i fotoni cambiano energia durante il processo di diffusione. Questo avviene perché la molecola eccitata si rilassa, passando a uno stato di vibrazione più alto o più basso rispetto a quello originale.

La diffusione Raman è anelastica, perché i fotoni cambiano energia quando interagiscono con i livelli di energia vibrazionale delle molecole. La diffusione Raman viene definita "Stokes" se la luce diffusa perde energia. La diffusione Raman viene definita "anti-Stokes" se la luce diffusa acquista energia.
La diffusione Raman Stokes si verifica quando la molecola passa dallo stato fondamentale a uno virtuale, prima di scendere a uno stato vibrazionale a energia più elevata rispetto a quello che aveva in origine. La diffusione Raman anti-Stokes si verifica quando la molecola parte da uno stato di eccitazione vibrazionale, passa a uno stato virtuale e infine si rilassa, arrivando al suo stato fondamentale. La luce Raman anti-Stokes viene utilizzata di rado, perché risulta meno intensa di quella Stokes. Fornisce comunque informazioni equivalenti sulle vibrazioni delle molecole.

Al contrario, si parla di diffusione Rayleigh quando la molecola torna allo stato di vibrazione fondamentale, rilasciando un fotone che ha la stessa energia del fotone incidente. Per questo motivo, la luce diffusa Rayleigh ha la stessa frequenza e lo stesso colore della luce incidente. La diffusione Rayleigh è all'incirca 107volte più intensa della luce diffusa Raman. Gli spettrometri moderni utilizzano filtri ad alta efficienza per rimuovere la luce a diffusione Rayleigh, e semplificare la rilevazione della diffusione Raman.

Diagramma energetico che mostra la diffusione Rayleigh e Raman
Diagramma di Jablonski che indica le variazioni di energia durante la diffusione Rayleigh e Raman. S0, S1, S2 sono livelli di energia elettronica comuni, con livelli di energia vibrazionale più elevati.

Il meccanismo della diffusione Raman è simile alla spettroscopia ad assorbimento dell'infrarosso (IR), ma con regole di selezione diverse. Perché si possa verificare la diffusione Raman, è necessaria una variazione della polarizzabilità molecolare durante la vibrazione. Lo spettro Raman presenterà alcune vibrazioni che non compaiono nello spettro a infrarossi e viceversa. Ad esempio, a differenza della spettroscopia ad assorbimento dell'infrarosso, la spettroscopia Raman è in grado di analizzare i legami del carbonio nei diamanti.

Che informazioni può fornire lo scostamento Raman?

Per scostamento Raman si intende la differenza di energia fra la luce laser incidente e la luce diffusa. La variazione di energia dipende dalla frequenza di vibrazione degli atomi della molecola. Studiando le vibrazioni molecolari, è possibile scoprire la composizione chimica e strutturale di un materiale.

Un evidente scostamento Raman o una variazione energetica importante indica che le vibrazioni molecolari sono ad alta frequenza. Questo avviene per la presenza di atomi leggeri con legami forti. Al contrario, uno scostamento Raman o una variazione energetica di bassa entità indica che le vibrazioni molecolari sono a bassa frequenza. Questo avviene per la presenza di atomi pesanti con legami deboli.

Componenti di un microscopio Raman

Il cuore di un dispositivo Raman è il microscopio ottico, a cui viene abbinato un laser di eccitazione, filtri Rayleigh, uno spettrometro e un rilevatore. Solo una parte su dieci milioni della luce diffusa mostra un cambiamento di colore, infatti l'effetto Raman è molto debole e impossibile da vedere a occhio nudo. Per questa ragione è necessario che la luce venga analizzata con uno spettrometro Raman molto sensibile.

Il microscopio Raman inVia di Renishaw è composto da:

1. Uno o più laser dall'ultravioletto (UV 244 nm) all'infrarosso (IR 1064 nm) che può essere commutato con un semplice clic.

2. Obiettivi con lenti di alta qualità per mettere a fuoco la luce sul campione. Sono disponibili opzioni ad alta confocalità 100×, per lunghe distanze e per immersioni

3. Filtri Rayleigh per separare la luce riflessa e diffusa in modo che lo spettrometro raccolga solo la luce Raman

4. Lenti dello spettrometro motorizzate che vengono ottimizzate automaticamente per ciascuna lunghezza d'onda

5. Reticoli di diffrazione principali ad elevate dispersione e longevità, per separare la luce Raman nei suoi colori costituenti

6. Un rilevatore CCD stabile, sensibile e a raffreddamento termoelettrico (-70 ˚C)

7. Un PC per il controllo automatico del sistema, la raccolta e l'analisi dei dati

Diagramma tipico di Qontor

Microscopio Raman confocale inVia™ con una configurazione ottica comune

Cosa si intende per spettroscopia Raman?

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La spettroscopia Raman: approfondimento