Wenn Licht durch einen Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas wandert, wird ein Teil des Lichts gestreut und wandert in andere Richtungen als das einfallende Licht ab. Der größte Teil des gestreuten Lichts behält seine ursprüngliche Frequenz – dies wird als elastische Streuung bezeichnet, wobei die Rayleigh-Streuung ein Beispiel ist. Ein kleiner Anteil des Streulichts hat eine geringere Frequenz als die des einfallenden Lichts und ein noch kleinerer Anteil hat eine höhere Frequenz – dies wird als inelastische Streuung bezeichnet. Die Raman-Streuung ist eine Form der inelastischen Streuung und ist nach Chandrasekkara Venkata Raman benannt, der 1930 für seine Arbeiten zu diesem Thema den Nobelpreis erhielt.
Obwohl man sich Streuung als Licht vorstellen kann, das einfach von kleinen Partikeln reflektiert wird, ist die Realität komplexer. Wenn elektromagnetische Strahlung, zu der Licht gehört, mit einem Molekül wechselwirkt, kann sie die Form der Elektronenwolke des Moleküls verzerren; das Ausmaß, in dem dies geschieht, wird als Polarisierbarkeit des Moleküls bezeichnet und hängt von der Struktur des Moleküls und der Art der Bindungen zwischen seinen Atomen ab. Nach der Wechselwirkung mit einem Lichtphoton kann die Form der Elektronenwolke mit einer Frequenz schwingen, die der des einfallenden Photons entspricht. Diese Oszillation wiederum bewirkt, dass das Molekül ein neues Photon mit derselben Frequenz emittiert, was zu einer elastischen oder Rayleigh-Streuung führt. Das Ausmaß, in dem Rayleigh- und Raman-Streuung auftreten, hängt von der Polarisierbarkeit des Moleküls ab.
Moleküle können auch schwingen, wobei die Bindungslängen zwischen Atomen periodisch um 10 % zu- oder abnahmen. Wenn sich ein Molekül in seinem niedrigsten Schwingungszustand befindet, wird es manchmal durch ein einfallendes Photon in einen höheren Schwingungszustand versetzt, dabei Energie verloren und das emittierte Photon hat weniger Energie und daher eine niedrigere Frequenz. In selteneren Fällen befindet sich das Molekül bereits über seinem niedrigsten Schwingungszustand. In diesem Fall kann es durch das einfallende Photon in einen niedrigeren Zustand zurückkehren und Energie gewinnen, die als Photon mit einer höheren Frequenz emittiert wird.
Diese Emission von Photonen mit niedrigerer und höherer Frequenz ist die Form der inelastischen Streuung, die als Raman-Streuung bekannt ist. Wenn das Spektrum des Streulichts analysiert wird, zeigt es aufgrund der Rayleigh-Streuung eine Linie bei der einfallenden Frequenz, mit kleineren Linien bei niedrigeren Frequenzen und noch kleineren Linien bei höheren Frequenzen. Diese Linien niedrigerer und höherer Frequenz, bekannt als Stokes- bzw. Anti-Stokes-Linien, treten in den gleichen Intervallen von der Rayleigh-Linie auf und das Gesamtmuster ist charakteristisch für Raman-Streuung.
Da die Frequenzintervalle, in denen die Stokes- und Anti-Stokes-Linien erscheinen, von den Arten der Moleküle abhängen, mit denen das Licht wechselwirkt, kann die Raman-Streuung verwendet werden, um die Zusammensetzung einer Materialprobe zu bestimmen, zum Beispiel die in einem Stück vorhandenen Mineralien von Felsen. Diese Technik ist als Raman-Spektroskopie bekannt und verwendet normalerweise einen monochromatischen Laser als Lichtquelle. Bestimmte Moleküle erzeugen jeweils ein einzigartiges Muster von Stokes- und Anti-Stokes-Linien, was ihre Identifizierung ermöglicht.