Quando la luce viaggia attraverso un solido, liquido o gas, parte della luce viene dispersa, viaggiando in direzioni diverse da quella della luce in arrivo. La maggior parte della luce diffusa manterrà la sua frequenza originale, nota come diffusione elastica, ad esempio la diffusione di Rayleigh. Una piccola proporzione della luce diffusa avrà una frequenza inferiore a quella della luce in entrata e una proporzione ancora più piccola avrà una frequenza più alta – questo è noto come diffusione anelastica. Lo scattering Raman è una forma di scattering anelastico e prende il nome da Chandrasekkara Venkata Raman, che ha ricevuto un premio Nobel per il suo lavoro sull’argomento nel 1930.
Sebbene lo scattering possa essere pensato come luce che si riflette semplicemente su piccole particelle, la realtà è più complessa. Quando la radiazione elettromagnetica, di cui la luce è un tipo, interagisce con una molecola, può distorcere la forma della nuvola di elettroni della molecola; la misura in cui ciò accade è nota come polarizzabilità della molecola e dipende dalla struttura della molecola e dalla natura dei legami tra i suoi atomi. A seguito dell’interazione con un fotone luminoso, la forma della nuvola di elettroni può oscillare a una frequenza correlata a quella del fotone in arrivo. Questa oscillazione a sua volta fa sì che la molecola emetta un nuovo fotone alla stessa frequenza, con conseguente diffusione elastica o di Rayleigh. La misura in cui si verificano lo scattering di Rayleigh e Raman dipende dalla polarizzabilità della molecola.
Le molecole possono anche vibrare, con le lunghezze di legame tra gli atomi che aumentano o diminuiscono periodicamente del 10%. Se una molecola è nel suo stato vibrazionale più basso, a volte un fotone in ingresso la spingerà in uno stato vibrazionale più alto, perdendo energia nel processo e facendo sì che il fotone emesso abbia meno energia e quindi una frequenza più bassa. Meno comunemente, la molecola potrebbe già essere al di sopra del suo stato vibrazionale più basso, nel qual caso il fotone in arrivo potrebbe farla tornare a uno stato inferiore, guadagnando energia che viene emessa come fotone con una frequenza più alta.
Questa emissione di fotoni a frequenza più bassa e più alta è la forma di diffusione anelastica nota come diffusione Raman. Se lo spettro della luce diffusa viene analizzato, mostrerà una riga alla frequenza in ingresso dovuta alla diffusione di Rayleigh, con righe più piccole a frequenze più basse e righe ancora più piccole a frequenze più alte. Queste linee di frequenza più bassa e più alta, note rispettivamente come linee di Stokes e anti-Stokes, si verificano agli stessi intervalli dalla linea di Rayleigh e il modello generale è caratteristico dello scattering Raman.
Poiché gli intervalli di frequenza in cui compaiono le linee Stokes e anti-Stokes dipendono dai tipi di molecole con cui la luce interagisce, lo scattering Raman può essere utilizzato per determinare la composizione di un campione di materiale, ad esempio i minerali presenti in un pezzo di roccia. Questa tecnica è nota come spettroscopia Raman e normalmente impiega un laser monocromatico come sorgente di luce. Molecole particolari produrranno ciascuna un modello unico di linee Stokes e anti-Stokes, consentendo la loro identificazione.