Комбинационное рассеяние света

При прохождении монохроматического света через прозрачное вещество в спектре частот рассеянного молекулами света наблюдается не только частота и_а падающего света, но также частоты и₀ — и и и₀ + и, где и — частота, соответствующая переходам молекулы из одного состояния в другое. Это явление называется комбинационным рассеянием света. Спектральная линия рассеянного света частоты и₀ — и/ называется краснъим спутником, а частоты и_а + и — фиолетовым. Отношение интенсивности фиолетового спутника к интенсивности красного спутника увеличивается при повышении температуры.

Изменение частоты света при его рассеянии на молекулах можно объяснить следующим образом. Пусть фотон, энергия которого равна hu_0> сталкивается с молекулой, находящейся в основном состоянии (рис. 22.9). Энергия такой молекулы согласно формуле (22.31) равна.

При столкновении фотона с молекулой он может отдать ей часть своей энергии. В результате молекула переходит в возбужденное состояние. Например, молекула может оказаться в первом возбужденном колебательном состоянии с v = 1 и j = 0. Теперь молекула будет обладать энергией

т.е. энергия молекулы увеличилась на величину.

При этом энергия фотона уменьшается на АЕ и становится равной.

где о/' - частота фотона после рассеяния на молекуле. Таким образом, частота и' рассеянного света будет.

Так возникает красный спутник в спектре частот рассеянного света.

Рис. 22.9. Возникновение красного спутника в спектре рассеянного на молекулах излучения.

Когда фотон сталкивается с возбужденной молекулой (рис. 22.10), он может принять от нее энергию АЕ. Тогда его энергия будет.

где частота и" рассеянного света теперь будет.

Так в спектре частот рассеянного света появляется фиолетовый спутник.

Рис. 22.10. Возникновение фиолетового спутника в спектре рассеянного на молекулах излучения.

Очевидно, что интенсивность спутника пропорциональна числу молекул, столкновения фотонов с которыми приводят к его появлению. Когда вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, распределение молекул по состояниям определяется законом Гиббса:

где N{ — число молекул в состоянии с энергией Согласно этому закону интенсивность красного спутника пропорциональна числу молекул с энергией ?(0, 0):

а интенсивность фиолетового — числу молекул с энергией Б (1,0):

При этом отношение интенсивности фиолетового спутника к интенсивности красного спутника будет зависеть от температуры согласно формуле