¿Qué es la luz Raman?
Premio Nobel de Física de 1930 - Efecto Raman
El Premio Nobel de Física de 1930 fue otorgado a SirChandrasekhara Venkata Raman (1888-1970) de la Universidad de Calcuta, India, en reconocimiento a sus estudios sobre la dispersión de la luz y al descubrimiento de la ley que lleva su nombre.
Hay un efecto especial en el fenómeno de dispersión de la luz, que es similar al efecto Compton de la dispersión de rayos X. La frecuencia de la luz cambia después de la dispersión. El cambio de frecuencia depende de las propiedades del material de dispersión. Este es el efecto Raman, que fue descubierto por Raman en 1928 mientras estudiaba la dispersión de la luz. Unos meses después de que Raman y sus colaboradores anunciaran el descubrimiento de este efecto, Landsberg y L. Mandelstam de la Unión Soviética también descubrieron de forma independiente este efecto, al que llamaron dispersión conjunta. El espectro Raman es el resultado de la superposición de la energía vibratoria o energía rotacional de la molécula y la energía del fotón cuando el fotón incidente choca con la molécula. Utilizando la espectroscopia Raman, el espectro de energía molecular en la región infrarroja se puede transferir a la región de luz visible para su observación. Por tanto, la espectroscopia Raman, como complemento de la espectroscopia infrarroja, es un arma poderosa para estudiar la estructura molecular.
En el verano de 1921, en el barco de pasajeros S.S. Narkunda que navegaba por el Mediterráneo, un erudito indio se apoyaba en cubierta para observar la superficie del mar con un sencillo instrumento óptico. Quedó fascinado por el color azul profundo del agua y decidió investigar el origen de su color. Este erudito indio fue Raman. Iba de camino a Inglaterra para representar a la principal institución de la India, la Universidad de Calcuta, en la Conferencia de Universidades de la Commonwealth en Oxford y para dar una conferencia en la Royal Society. En ese momento sólo tenía 33 años. Para Raman, el color azul del mar no era nada inusual. La Universidad de Madrás donde estudió está frente a la Bahía de Bengala y puede ver los colores cambiantes del agua todos los días. De hecho, ya a los 16 años (1904), ya estaba familiarizado con la explicación del famoso físico Rayleigh sobre el cielo azul utilizando la ley de que la intensidad de la luz dispersada en la dispersión molecular es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda ( también llamada ley de Rayleigh). No sé si es por el carácter de explorar los misterios de la naturaleza que he desarrollado desde que era niño, o por el pensamiento profundo que hice al revisar la literatura al estudiar la dispersión de la luz. Señaló que una de las declaraciones de Rayleigh era cuestionable. Rayleigh dijo: "El azul de las profundidades del mar no es el color del agua del mar, el azul del cielo se refleja en el agua del mar. La discusión de Rayleigh sobre el azul del agua del mar siempre ha sido motivo de preocupación para Raman". . Decidió hacer una excursión. Por eso, cuando Raman partió hacia Inglaterra, empacó en su equipaje un equipo experimental: varios prismas Nicol, pequeños telescopios, rendijas e incluso una rejilla. Los prismas Nicol están instalados en ambos extremos del telescopio como polarizadores y analizadores, y los experimentos se pueden realizar en cualquier momento. Usó un prisma Nicol para observar la luz reflejada en el agua a lo largo de Brewster's Point, eliminando así la luz azul del cielo. La luz vista así debería ser del color del propio mar. Resulta que lo que ves aquí es de un azul más profundo que el cielo. También utilizó rejillas para analizar el color del agua de mar y descubrió que el valor máximo del espectro del agua de mar era más azul que el valor máximo del espectro del cielo. Se puede ver que el color del agua del mar no es causado por el color del cielo, sino un atributo del agua del mar en sí. Raman creía que esto debía deberse a la dispersión de la luz por las moléculas de agua. Escribió dos artículos discutiendo este fenómeno en el barco de regreso a casa. Los documentos fueron enviados a Inglaterra durante una escala y publicados en dos revistas londinenses.
Raman nació el 7 de octubre de 1888165438+ en Castor, sur de la India. Mi padre era profesor universitario de matemáticas y física. Su formación científica desde temprana edad fomentó su interés por la música y los instrumentos musicales. Tiene talentos sobresalientes. Se graduó de la universidad a la edad de 16 años y ganó la medalla de oro en física con el primer lugar. 19 años, obtuvo título de maestría con honores. En 1906, cuando sólo tenía 18 años, publicó un artículo sobre el efecto de difracción de la luz en la famosa revista científica británica "Nature". Debido a una enfermedad, Raman perdió la oportunidad de realizar su tesis doctoral en una famosa universidad británica. Antes de la independencia, los indios no eran elegibles para trabajar en los círculos científicos y culturales sin un doctorado del Reino Unido. Pero los estudiantes de contabilidad son la única excepción y no necesitan ir al Reino Unido para recibir capacitación primero. Entonces Raman solicitó un trabajo en el Ministerio de Finanzas y ganó el primer lugar y se le otorgó el puesto de asistente jefe de contabilidad. Rahman hizo un buen trabajo en el Ministerio de Finanzas y tenía responsabilidades cada vez mayores, pero no quería verse inmerso en la burocracia. Dedicado a sus objetivos científicos, dedicó todo su tiempo libre a seguir estudiando acústica y teoría de instrumentos musicales.
Había una institución académica en Calcuta llamada Sociedad India para la Educación Científica, que tenía un laboratorio donde Raman llevó a cabo sus investigaciones en acústica y óptica. Después de diez años de arduo trabajo, Raman logró una serie de resultados y publicó muchos artículos por su cuenta sin la guía de investigadores experimentados. En 1917, la Universidad de Calcuta hizo una excepción y lo invitó a trabajar como profesor de física, lo que le permitió concentrarse en la investigación científica. Durante los 16 años que enseñó en la Universidad de Calcuta, todavía realizó experimentos con la Asociación India para la Educación Científica. Estudiantes, profesores y académicos visitantes vinieron aquí para aprender de él y cooperar con él, formando gradualmente un grupo académico con él como núcleo. Inspirados por su ejemplo y sus logros, muchas personas se embarcaron en el camino de la investigación científica. Entre ellos se encontraban los famosos físicos M.N. Saha y S.N. Bose. En ese momento, Calcuta estaba estableciendo un centro de investigación científica en la India, y la Universidad de Calcuta y el Grupo Raman se convirtieron en el núcleo del apoyo público. En 1921, Raman dio una conferencia en Inglaterra en nombre de la Universidad de Calcuta, demostrando que sus resultados eran reconocidos internacionalmente.
Después de que Raman regresó a la India, inmediatamente llevó a cabo una serie de investigaciones teóricas y experimentales en la Asociación de Educación Científica para explorar las leyes de dispersión de la luz en varios medios transparentes. Mucha gente participa en estos estudios. La mayoría de estas personas son profesores de escuela. Vinieron a la Asociación de Educación Científica durante las vacaciones y realizaron experimentos de dispersión de luz u otros experimentos bajo la compañía o dirección de Raman, quien jugó un papel activo en la investigación de Raman. En siete años publicaron unos cincuenta o sesenta artículos. Al principio, estudiaron las leyes de dispersión de las moléculas en diversos medios, seleccionaron diferentes estructuras moleculares, diferentes estados de los materiales, diferentes presiones y temperaturas e incluso realizaron experimentos de dispersión durante las transiciones de fase de puntos críticos. En 1922, Raman escribió un folleto que resumía esta investigación llamado "Difracción molecular de la luz", que elaboraba sistemáticamente sus puntos de vista. En el último capítulo, mencionó el uso de la teoría cuántica para analizar los fenómenos de dispersión y creía que futuros experimentos podrían diferenciar entre la teoría electromagnética clásica y la teoría de la colisión cuántica de la luz.
En abril de 1923, uno de sus alumnos, K.R. Ramanathan, observó por primera vez el fenómeno del cambio de color en la dispersión de la luz. El experimento utilizó el sol como fuente de luz, irradió un matraz que contenía agua pura o alcohol puro a través de un filtro violeta y luego lo observó desde un lado, pero inesperadamente observó un componente verde muy débil. Ramanasan no entendía este fenómeno y creía que se trataba de una radiación secundaria causada por impurezas, similar a la fluorescencia. Por lo tanto, en el artículo se denomina "fluorescencia débil". Sin embargo, Raman no cree que se trate de un fenómeno causado por impurezas. Si realmente se trata de la fluorescencia de una impureza, este efecto debe eliminarse en muestras cuidadosamente purificadas.
En los dos años siguientes, otro estudiante de Raman, K.S. Klich, observó la luz dispersada de 65 líquidos purificados y demostró que todos tenían una "fluorescencia débil" similar. se encuentra parcialmente polarizado. Como todos sabemos, la fluorescencia es un tipo de luz natural sin polarización. Esto demuestra que este fenómeno de cambio de longitud de onda no es un efecto de fluorescencia.
Raman y sus alumnos pensaron en muchas formas de estudiar este fenómeno. Intentaron fotografiar la luz dispersada para compararla, pero fracasaron. Utilizaron filtros complementarios, oculares de grandes telescopios y lentes de distancia focal corta para enfocar el sol, probaron muestras que iban desde líquidos hasta sólidos y persistieron en una variedad de experimentos.
Al mismo tiempo, Raman también buscaba una explicación teórica. La visita de Raman a los Estados Unidos en 1924 coincidió con el reciente descubrimiento de A.H. Compton del efecto de alargamiento de la longitud de onda de la dispersión de rayos X, y los escépticos estaban generando controversia. Al parecer, Raman se inspiró en gran medida en el descubrimiento de Compton, y más tarde consideró su descubrimiento como "la contraparte óptica del efecto Compton". Raman experimentó giros y vueltas similares a los de Compton. Después de seis o siete años de exploración, a principios de 1928 se llegó a una conclusión clara. En ese momento, Raman se había dado cuenta de que la luz dispersada débilmente polarizada con cambios de color era un fenómeno común. Llamó a esta nueva radiación "dispersión modificada", en referencia al nombre "variación" del efecto Compton. Raman mejoró aún más el método de filtrado y añadió un trozo de vidrio de uranio delante del filtro azul-violeta para que la luz solar incidente sólo pudiera pasar a través de una banda de longitud de onda más estrecha. Luego utilizó un espectroscopio visual para observar la luz dispersada y encontró una dispersión variable. e incidencia constante. Hay un área oscura entre las luces.
En la tarde del 28 de febrero de 1928, Raman decidió utilizar luz monocromática como fuente de luz y llevó a cabo un experimento muy hermoso y decisivo. Miró la luz dispersa en el espectroscopio visual y encontró más de dos líneas brillantes y nítidas en las áreas de luz azul y verde. Cada línea espectral incidente tiene una línea dispersa variable correspondiente.
Generalmente, la frecuencia de las líneas dispersas variables es menor que la frecuencia de la luz incidente. Ocasionalmente, se observan líneas dispersas con una frecuencia mayor que la luz incidente, pero con una intensidad más débil.
Pronto, la gente empezó a llamar a este fenómeno recién descubierto efecto Raman. En 1930, el espectroscopista estadounidense R.W. Wood nombró líneas de Stokes a los rayos dispersos variables de menor frecuencia. Líneas anti-Stokes de mayor frecuencia.
La noticia del descubrimiento de Raman de la dispersión anormal se extendió por todo el mundo y suscitó fuertes reacciones en muchos laboratorios que repitieron, confirmaron y desarrollaron sus resultados. En 1928 se publicaron 57 artículos sobre el efecto Raman. La comunidad científica elogió su descubrimiento. Raman es el orgullo del pueblo indio y es un ejemplo para los científicos del tercer mundo. Es admirable que haya logrado tanto en una India anterior a la independencia, donde vivió la mayor parte de su vida. Raman, en particular, es un científico formado en la India. Siempre residió en la India, trabajó duro, estableció un centro de investigación científica distintivo y alcanzó la vanguardia mundial.
En 1934, Raman y otros académicos fundaron la Academia de Ciencias de la India y fungieron como su presidente. En 1947 se creó el Instituto Raman. Logró grandes logros en el desarrollo de la ciencia en la India. Raman tiene buen ojo para captar el tema de la dispersión molecular. En sus años de continuos esfuerzos, hay una idea obvia: realizar incansablemente investigaciones básicas sobre los eslabones débiles de la teoría. Raman concede gran importancia al descubrimiento de talentos. Desde la Sociedad India de Educación Científica hasta el Instituto Raman, siempre estuvo rodeado de estudiantes y colaboradores talentosos. Según las estadísticas de dispersión de la luz, a mediados de los treinta años, 66 científicos publicaron 377 artículos de su laboratorio. Seduce a sus alumnos y es admirado y amado por ellos. A Raman le encantaba la música, las flores y las rocas. Pasó la mayor parte de sus ganancias estudiando la estructura de los diamantes. En sus últimos años se dedicó al análisis espectral de las flores. En su 80 cumpleaños, publicó su álbum "Visual Physiology". A Raman le encantaban las rosas más que cualquier otra cosa. Es dueño de un jardín de rosas. Rahman murió en 1970 a la edad de 82 años y, siguiendo sus deseos, fue incinerado en su jardín.