Cuando la luz viaja a través de un sólido, líquido o gas, parte de la luz se dispersará, viajando en direcciones diferentes a las de la luz entrante. La mayor parte de la luz dispersa conservará su frecuencia original; esto se conoce como dispersión elástica, siendo la dispersión de Rayleigh un ejemplo. Una pequeña proporción de la luz dispersa tendrá una frecuencia menor que la de la luz entrante y una proporción aún menor tendrá una frecuencia más alta; esto se conoce como dispersión inelástica. La dispersión Raman es una forma de dispersión inelástica y lleva el nombre de Chandrasekkara Venkata Raman, quien recibió un Premio Nobel por su trabajo sobre el tema en 1930.
Aunque se puede pensar en la dispersión como luz que simplemente se refleja en pequeñas partículas, la realidad es más compleja. Cuando la radiación electromagnética, del cual la luz es un tipo, interactúa con una molécula, puede distorsionar la forma de la nube de electrones de la molécula; el grado en que esto sucede se conoce como polarizabilidad de la molécula y depende de la estructura de la molécula y de la naturaleza de los enlaces entre sus átomos. Tras la interacción con un fotón de luz, la forma de la nube de electrones puede oscilar a una frecuencia relacionada con la del fotón entrante. Esta oscilación, a su vez, hace que la molécula emita un nuevo fotón a la misma frecuencia, lo que resulta en una dispersión elástica o de Rayleigh. La medida en que se produce la dispersión de Rayleigh y Raman depende de la polarizabilidad de la molécula.
Las moléculas también pueden vibrar, y las longitudes de los enlaces entre los átomos aumentan o disminuyen periódicamente en un 10%. Si una molécula está en su estado de vibración más bajo, a veces un fotón entrante la empujará a un estado de vibración más alto, perdiendo energía en el proceso y dando como resultado que el fotón emitido tenga menos energía y, por lo tanto, una frecuencia más baja. Con menos frecuencia, la molécula ya podría estar por encima de su estado vibratorio más bajo, en cuyo caso el fotón entrante podría hacer que vuelva a un estado más bajo, ganando energía que se emite como un fotón con una frecuencia más alta.
Esta emisión de fotones de frecuencia más baja y más alta es la forma de dispersión inelástica conocida como dispersión Raman. Si se analiza el espectro de la luz dispersa, mostrará una línea en la frecuencia entrante debido a la dispersión de Rayleigh, con líneas más pequeñas en las frecuencias más bajas y líneas aún más pequeñas en las frecuencias más altas. Estas líneas de frecuencia más baja y más alta, conocidas como líneas de Stokes y anti-Stokes, respectivamente, ocurren en los mismos intervalos de la línea de Rayleigh y el patrón general es característico de la dispersión Raman.
Dado que los intervalos de frecuencia en los que aparecen las líneas de Stokes y anti-Stokes dependen de los tipos de moléculas con las que interactúa la luz, la dispersión Raman se puede utilizar para determinar la composición de una muestra de material, por ejemplo, los minerales presentes en una pieza. de roca. Esta técnica se conoce como espectroscopia Raman y normalmente emplea un láser monocromático como fuente de luz. Cada una de las moléculas concretas producirá un patrón único de líneas Stokes y anti-Stokes, lo que permitirá su identificación.