Lorsque la lumière traverse un solide, un liquide ou un gaz, une partie de la lumière sera dispersée, se déplaçant dans des directions différentes de celle de la lumière entrante. La plupart de la lumière diffusée conservera sa fréquence d’origine – c’est ce qu’on appelle la diffusion élastique, la diffusion Rayleigh en étant un exemple. Une petite proportion de la lumière diffusée aura une fréquence inférieure à celle de la lumière entrante et une proportion encore plus petite aura une fréquence plus élevée – c’est ce qu’on appelle la diffusion inélastique. La diffusion Raman est une forme de diffusion inélastique et porte le nom de Chandrasekkara Venkata Raman, qui a reçu un prix Nobel pour ses travaux sur le sujet en 1930.
Bien que la diffusion puisse être considérée comme une simple réflexion de la lumière sur de petites particules, la réalité est plus complexe. Lorsque le rayonnement électromagnétique, dont la lumière est un type, interagit avec une molécule, il peut déformer la forme du nuage d’électrons de la molécule ; la mesure dans laquelle cela se produit est connue sous le nom de polarisabilité de la molécule et dépend de la structure de la molécule et de la nature des liaisons entre ses atomes. Suite à l’interaction avec un photon lumineux, la forme du nuage d’électrons peut osciller à une fréquence liée à celle du photon entrant. Cette oscillation amène à son tour la molécule à émettre un nouveau photon à la même fréquence, ce qui entraîne une diffusion élastique, ou Rayleigh. La mesure dans laquelle la diffusion Rayleigh et Raman se produit dépend de la polarisabilité de la molécule.
Les molécules peuvent également vibrer, les longueurs de liaison entre les atomes augmentant ou diminuant périodiquement de 10 %. Si une molécule est dans son état vibratoire le plus bas, parfois un photon entrant la poussera dans un état vibratoire plus élevé, perdant de l’énergie dans le processus et résultant en le photon émis ayant moins d’énergie et donc une fréquence plus basse. Moins fréquemment, la molécule peut déjà être au-dessus de son état vibratoire le plus bas, auquel cas le photon entrant pourrait la faire revenir à un état inférieur, gagnant de l’énergie qui est émise sous forme de photon avec une fréquence plus élevée.
Cette émission de photons de fréquence inférieure et supérieure est la forme de diffusion inélastique connue sous le nom de diffusion Raman. Si le spectre de la lumière diffusée est analysé, il montrera une ligne à la fréquence entrante due à la diffusion Rayleigh, avec des lignes plus petites à des fréquences plus basses et des lignes encore plus petites à des fréquences plus élevées. Ces raies de fréquence inférieure et supérieure, appelées respectivement raies de Stokes et anti-Stokes, se produisent aux mêmes intervalles de la raie de Rayleigh et le motif global est caractéristique de la diffusion Raman.
Étant donné que les intervalles de fréquence auxquels les lignes Stokes et anti-Stokes apparaissent dépendent des types de molécules avec lesquelles la lumière interagit, la diffusion Raman peut être utilisée pour déterminer la composition d’un échantillon de matériau, par exemple, les minéraux présents dans une pièce. de roche. Cette technique est connue sous le nom de spectroscopie Raman et utilise normalement un laser monochromatique comme source lumineuse. Des molécules particulières produiront chacune un motif unique de lignées Stokes et anti-Stokes, permettant leur identification.