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Raman-Effekt,

 

Smẹkal-Raman-Effekt, die von A. G. S. Smekal 1923 vorausgesagte und 1928 von C. V. Raman nachgewiesene unelastische Streuung von Photonen an Materie. Das Streuspektrum von mit monochromatischem Licht bestrahlten chemischen Verbindungen, Flüssigkeiten und Festkörpern weist neben der Linie aus der elastischen Streuung bei der Frequenz ω₀ des einfallenden Lichts (Rayleigh-Streuung) noch die so genannten Raman-Linien bei den Frequenzen ω₀ ± ω auf; ω ist eine Schwingungs- oder Rotationsfrequenz des streuenden Moleküls, in der Festkörperphysik eine Eigenfrequenz der Gitterschwingungen des Kristalls beziehungsweise des entsprechenden Phonons. Dabei spricht man von Raman-Streuung, wenn optische Phononen, von Brillouin-Streuung, wenn akustische Phononen am Streuprozess beteiligt sind.

 

Im Unterschied zur Rayleigh-Streuung werden beim Raman-Effekt Energie und Impuls zwischen dem einfallenden Photon und dem streuenden Medium ausgetauscht. Gestreutes Licht der Frequenz ω₀ — ω (Stokes-Linie) erhält man, wenn das Photon Energie auf den Streupartner überträgt, d. h. das Molekül anregt oder ein Phonon im Kristall erzeugt. Ist das Streumedium bereits angeregt (z. B. thermisch), kann es Energie abgeben, wobei z. B. ein Phonon vernichtet wird; das gestreute Photon hat dann die Frequenz ω₀ + ω (Anti-Stokes-Linie; stokessche Regel). Streupartner für die Photonen können auch Elektronen sein, die in energetisch höhere oder niedrigere Zustände gestreut werden (elektronischer Raman-Effekt). Neben diesen Raman-Effekten erster Ordnung können auch Raman-Effekte höherer Ordnung auftreten, bei denen mehrere Anregungszustände an der Wechselwirkung beteiligt sind, z. B. durch die jeweilige Erzeugung und Vernichtung mehrerer Phononen (nichtlineare Raman-Effekte). Bei hohen einfallenden Lichtintensitäten (Laserstrahlung) tritt induzierte (stimulierte) Raman- oder Brillouin-Streuung auf, bei der einfallende und gestreute Lichtwellen in festen Phasenbeziehungen stehen (zueinander kohärent sind).

 

Die den Raman-Effekt nutzende Raman-Spektroskopie dient zur Untersuchung von Molekülen und nichtmetallischen Festkörpern. Bei Molekülen gelingt damit der Nachweis optisch »verbotener« ramanaktiver Rotations- und Rotationsschwingungsübergänge, die im Absorptions- oder Emissionsspektrum nicht nachweisbar sind und aus denen man Struktur und Trägheitsmomente von Molekülen bestimmen kann. Der Schwingungs-Raman-Effekt in Festkörpern dient zur Messung der Energie und der Dispersionsbeziehung von Phononen, der elektronische Raman-Effekt zur Messung der Bindungsenergie von Elektronen an Störstellen und der Konzentration freier Ladungsträger. Die stimulierte Raman-Streuung, ein Effekt der nichtlinearen Optik, wird vorwiegend in Form der kohärenten Anti-Stokes-Streuung (CARS-Methode, von englisch coherent anti-stokes raman scattering) zur Oberflächenuntersuchung eingesetzt.