Ilango Arasiyal

ராமன் விளைவு என்றால் என்ன?
---------------------------------------------------
நியூட்டன் அறிவியல் மன்றம்
-----------------------------------------------
1928ஆம் ஆண்டு பெப்ரவரி 28ஆம் நாள் ராமன் விளைவு
(Raman effect) கண்டறியப்பட்டது. கொல்கொத்தா
பல்கலையில் உள்ள தமது ஆய்வுக்கூடத்தில்
இயற்பியல் பேராசிரியர் சர் சி வி ராமன் இதைக்
கண்டறிந்தார்.

பொருளும் ஆற்றலும் ஊடாடும்போது, ராமன் விளைவு
ஏற்படுகிறது. ஒளிபுகும் பொருளின் மீது ஒளி படும்போது
ராமன் விளைவு (Raman effect) நிகழ்கிறது. ராமன் தமது
பரிசோதனைகளில் அங்ககத் திரவங்களான பென்சீன்
(Benzene C6H6), டூலின் (Toluene C7H8) ஆகியவற்றைப் பெரிதும் .பயன்படுத்தினார்.

சற்றேறக் குறைய வேறு வேறான 60 திரவங்களில்
தமது பரிசோதனையைச் செய்து, அதன் முடிவை
ஓர் அறிவியல் பத்திரிக்கையில் வெளியிட்டார்.
நோபல் பரிசு வழங்கும் விழாவின்போது ஆல்கஹால்
(C2H5OH) திரவத்தின் மீதான தமது பரிசோதனையைச்
செய்து காட்டினார்.

ராமனுக்கு அளிக்கப்பட்ட இரவு விருந்தில் ஆல்கஹால்
பரிமாறப் பட்டது. அதை அருந்த மறுத்த ராமன்
இப்படிக் கூறினார்:

ஆல்கஹாலின் மீதான ராமன் விளைவை இன்று காலையில்
பார்த்தீர்கள். ஆனால் ராமன் மீதான ஆல்கஹாலின்
விளைவை நீங்கள் பார்க்க முடியாது.

ராமன் விளைவு என்பது இதுதான்:
-----------------------------------------------------
பொருளின் மீது ஒளி படுகிறது; பட்டுச் சிதறுகிறது.
இதை ஒளிச்சிதறல் (scattering) என்கிறோம். ஒளியானது
ஒளிமம் (photon) என்னும் துகள்களால் ஆனது.

பொருளின் மீது பட்ட ஒளிமமும் (incident photon),
சிதறுண்ட ஒளிமமும் (scattered photon) சமமான அளவு
ஆற்றலைக் கொண்டிருப்பது இயல்பான நிகழ்வு.
இத்தகைய சிதறல் ராலே சிதறல் (Rayleigh scattering)
எனப்படும்.

ராலே (Rayleigh 1842-1919) என்பவர் இங்கிலாந்து நாட்டு
இயற்பியல் அறிஞர். நோபல் பரிசு பெற்றவர். இவரின்
ஒளிச்சிதறல் கோட்பாட்டின்படி அமைவதுதான்
ராலே சிதறல் ஆகும்

ராலே சிதறல் மீள்தன்மை உடைய சிதறல்
(elastic scattering) ஆகும். ஒரு பொருளில் ஒரு மாற்றம்
ஏற்பட்ட பின், மீண்டும் அது பழைய நிலைக்குத்
திரும்பினால்  அது மீள்தன்மை உடையது (elastic) எனப்படும்.

அன்றாட வாழ்வில் பயன்படும் ஒரு ரப்பர் கயிற்றை
(rubber band) எடுத்துக் கொண்டு சிறிது இழுத்து நீட்டுங்கள்.
அது நீளும். நீங்கள் நீட்டுவதை நிறுத்திய உடன்,
அது பழைய நிலைக்குத் திரும்புவதை நாம்
உணர்ந்து இருக்கிறோம் அல்லவா! ரப்பர் கயிற்றின்
இத்தன்மையை மீள்தன்மை (elastic) என்கிறோம்.

ராலே சிதறலில், படுஒளிமமானது (incident photon) பொருளின்
மூலக்கூற்றுடன்  வினைபுரிந்து ஒளிச்சிதறல் அடைகிறது.
இவ்வாறு ஒரு மாற்றத்தை அடைந்த பின்னரும்
ஒளிமங்களின் (photons) ஆற்றல் மாறாமல் இருப்பதால்
இது மீள்தன்மை உடைய சிதறல் (elastic scattering) ஆகும்.
இச்சிதறல் பெருவாரியாக நிகழ்வது.

ஆற்றல் மாறவில்லை என்பதற்கு விரிந்த பொருள் உண்டு.
அதாவது சிதறுண்ட ஒளிமங்களின் அ) அலைநீளம்
மாறவில்லை; ஆ) அதிர்வெண் (frequency) மாறவில்லை;
இ) நிறம் மாறவில்லை என்று பொருள். படுஒளிமங்களின்
அலைநீளம், அதிர்வெண், நிறம் ஆகியவற்றையே
சிதறுண்ட ஒளிமங்களும் கொண்டிருக்கும்.

இதற்கு மாறாக, ராமன் சிதறல் (Raman scattering) என்பது
அபூர்வமாக நிகழ்வது. ஒரு பொருளின் மீது ஒளி
பட்டுச் சிதறும்போது, படுஒளிமமும் (incident photon)
சிதறுண்ட ஒளிமமும் (scattered photon) வேறுபட்ட ஆற்றலைக்
கொண்டிருக்கும். இதுவே ராமன் சிதறல் ஆகும்.

இது மீள்தன்மையற்ற சிதறல் (inelastic scattering).
படுஒளிமமானது பொருளின் மூலக்கூறுடன்
வினைபுரிந்து ஒளிச்சிதறல் அடைந்த பின்னர்
ஒளிமங்களின் முன்பிருந்த ஆற்றல் மாறி விடுகிறது.
பழைய ஆற்றல் தக்கவைத்துக் கொள்ளப் படுவதில்லை.
எனவே இது மீள்தன்மையற்ற சிதறல் (inelastic scattering)
ஆகும். ராமன் சிதறலையே ராமன் விளைவு என்கிறோம்.

ராலே சிதறலின்போது சமணத்துறவிகள் போல
அடக்க ஒடுக்கமாக இருக்கும் ஒளிமங்கள் (photons)
ராமனிடம் மட்டும் ஏன் வாலாட்டுகின்றன?

ராலே சிதறலின்போது, பொருளின்மீது படும்
ஒளிமங்களின் ஆற்றலை பொருளின் மூலக்கூறுகள்
உட்கிரகிப்பதில்லை. எனவே பொருளின் மீதான
ஒரு மோதலுக்குப் பின்னரும், ஒளிமங்கள் ஆற்றலை
இழக்காமல் முழுசாக இருக்கின்றன. எனவே
மீள்தன்மை உடைய சிதறல் (elastic scattering) நிகழ்கிறது.

ஆனால் ராமன் சிதறலின்போது என்ன நடக்கிறது?
பொருளின் மீது படும் ஒளிமங்களில் (incident photons)
ஒரு பகுதியானது, அப்பொருளின் மூலக்கூறுகளை
கிளர்ச்சியுற்ற நிலைக்குக் (excited state) கொண்டு செல்கிறது.
இந்நிகழ்வில் ஒளிமங்கள் தமது ஆற்றலை சிறிதளவு
இழந்து, பின் சிதறல் அடைகின்றன.எனவே சிதறுண்ட
ஒளிமங்களின் ஆற்றல் குறைந்து விடுகிறது. அதாவது
படுஒளிமங்களின் அலைநீளத்தை விட, சிதறுண்ட
ஒளிமங்களின் அலைநீளம் அதிகரிக்கிறது; அதிர்வெண்
குறைந்து விடுகிறது.

வேறொன்றும் நிகழ்கிறது. பொருளின் மூலக்கூறுகள்
ஏற்கனவே கிளர்ச்சியுற்ற நிலையில் இருக்குமானால்,
அவற்றின் மீது ஒளி படும்போது, அவற்றின் ஆற்றலை
ஒளிமங்கள் பெற்றுவிடுகின்றன, பின் சிதறல்
அடைகின்றன. இவ்வாறு சிதறுண்ட ஒளிமங்களின்
ஆற்றல் .அதிகரிக்கிறது. அதாவது படுஒளிமங்களின்
அலைநீளத்தை விட, சிதறுண்ட ஒளிமங்களின்
அலைநீளம் குறைந்து விடுகிறது; அதிர்வெண்
அதிகரிக்கிறது.

நிறமாலைமானியில் (spectroscope) இவற்றை ஆய்வு
செய்யும்போது ஆற்றலின் மாற்றங்கள் கோடு
கோடாகத் தெரியும். படுஒளிமமும் சிதறுண்ட
ஒளிமமும் எவ்வித ஆற்றல் மாற்றத்தையும்
அடையாத நிலையில் தெரியும் கோடுகள்
மாற்றமுறாக் கோடுகள் (unmodified lines) எனப்படும்.
இவை ராலே கோடுகள் என்றும் முதன்மைக்
கோடுகள் (primary lines) என்றும் அழைக்கப் படுகின்றன.

ஆற்றலில் மாற்றம் அடைந்த கோடுகள் ராமன் கோடுகள்
(Raman lines) என்று பெயர் பெறுகின்றன. இதிகாச
இலக்கியங்களில் நாம் அறிந்த லட்சுமணக் கோட்டுக்கும்
ராமன் கோட்டுக்கும் எவ்விதத் தொடர்பும் கிடையாது.
அது இதிகாசம்; இது அறிவியல்.


ஸ்டோக்ஸ் எதிர்ப்பும் ஆதரவும்!
-----------------------------------------------------
ராமன் கோடுகள் இருவகை ஆனவை. ஆற்றல் குறைந்த
கோடுகள் ஸ்டோக்ஸ் கோடுகள் (Stokes lines) எனப்படும்.
ஆற்றல் அதிகரித்த கோடுகள் ஸ்டோக்ஸ் எதிர்ப்புக்
கோடுகள் (Anti Stokes lines) எனப்படும்.

இது என்ன ஸ்டோக்ஸ்  ஆதரவு, ஸ்டோக்ஸ் எதிர்ப்பு?
ஸ்டோக்ஸ்  என்றால் என்ன? ஸ்டோக்ஸ் என்பவர்
( Sir George Stokes 1819-1903) அயர்லாந்து நாட்டின்
இயற்பியலாளர். இவர் கேம்பிரிட்ஜ் பல்கலையில்
லூக்காசியன் கணிதப் பேராசிரியராக நெடுங்காலம்
இருந்தவர். உலகின் தலைசிறந்த கல்வியியல்
பதவியாகும் இது. ஸ்டோக்சுக்கு முன்பு நியூட்டனும்
பின்னர் ஸ்டீபன் ஹாக்கிங்கும் வகித்த பதவி இது.

பின்வரும் இரண்டு நிலைகள் ஏற்படும்:-
1) ஒரு பொருளின் மீது படும் ஒளியின் (incident light)
அலைநீளத்தை விட, பட்டுத் திரும்பும் ஒளியின்
அலைநீளம் அதிகமாக இருக்கும். இத்தகைய கோடுகள்
நிறமாலைமானியில் தெரியும். இவை ஸ்டோக்ஸ் கோடுகள்
(Stokes' Lines)  எனப்படும்.

2) அவ்வாறே அலைநீளம் குறைவாக உள்ள ஒளியின்
கோடுகள் ஸ்டோக்ஸ் எதிர்ப்புக் கோடுகள் (Anti Stokes Lines)
எனப்படும். இதை 19ஆம் நூற்றாண்டிலேயே
கண்டறிந்தவர் ஸ்டோக்ஸ். எனவே அவரின் பெயரால்
இக்கோடுகள் வழங்கப் பட்டு வருகின்றன.

3) அலைநீளத்தில் எந்த மாற்றமும் ஏற்படாமல்,
படுஒளிமத்தின் அலைநீளத்தை அப்படியே தக்க வைத்துக்
கொள்ளும் கோடுகள் மாற்றமுறாக் கோடுகள் (unmodified lines)
ஆகும்.

ராமன் கோடுகள் (Raman lines)  என்றாலே, மாற்றம் உறுகின்ற
கோடுகளை மட்டுமே குறிக்கும். மாற்றமுறாத கோடுகளுக்கு
ராமராஜ்யத்தில் இடமில்லை. அவை ராலே ராஜ்யத்தின்
குடிமக்கள் ஆகும்.

மின்காந்தக் கதிர்வீசலைப் பொறுத்த மட்டில்,
அலைநீளம் அதிர்வெண் என்னும் இவ்விரண்டுக்கும் இடையிலான
உறவு இயற்பியலில் கறாரான ஒரு வரையறுப்புக்கு உட்பட்டது.
இது குறித்த ஒரு தெளிவான புரிதல் இயற்பியல்
ஆர்வலர்களுக்கு அவசியம். இல்லையேல் அலைநீளம் அதிர்வெண்
ஆகியவை குறித்த பிறழ்புரிதல் ஏற்பட்டு விடும்.

மின்காந்த நிறமாலையைப் (electromagnetic spectrum) பார்த்தால்,
அதில் பல்வேறு அதிர்வெண்களையும் பல்வேறு அலைநீளங்களையும் கொண்ட ஒளியை நம்மால் காண இயலும். இவை அனைத்தையும் ஒரு
சமன்பாட்டின் மூலம் இயற்பியல் இணைக்கிறது.
எந்தவொரு மின்காந்த அலையின் அலைநீளம், அதிர்வெண் இவ்விரண்டையும் பெருக்கினால், ஒளியின் வேகம் கிடைக்கும்.
(ஒளியின் வேகம் = 299 792 458 மீட்டர்/வினாடி)

c = f  lambda என்னும் இச்சூத்திரத்தில்,
c = ஒளியின் வேகம்
f = frequency (அதிர்வெண்)
lambda = wavelength (அலைநீளம்)


ஒற்றை நிற ஒளி ஏன்?
-----------------------------------
ராமன் தமது பரிசோதனையில் ஒற்றை நிற ஒளியைப்
(monochromatic light) பயன்படுத்தினார். லேசர் விளக்குகள்
இல்லாத அக்காலத்தில் பாதரச விளக்குகளே
(Mercury arc lamps) அவருக்குக் கிடைத்தன. ராமன் ஏன்
ஒற்றை நிற ஒளியைப் பயன்படுத்தினார்?

ஒற்றை நிற ஒளி என்றால் ஒற்றை அலைநீளம் என்று
பொருள். ஒவ்வொரு அலைநீளத்திற்கும் ஒவ்வொரு
கோடு நிறமாலைமானியில் தெரியும். ஒற்றை நிற
ஒளிக்குப் பதிலாக வேறு ஒளியை அதாவது ஒன்றுக்கு
மேற்பட்ட நிறமுள்ள ஒளியைப் பயன்படுத்தினால்
என்ன ஆகும்? நாம் அன்றாடம் உணரும் காணத்தக்க
ஒளியானது (visible light) பல்வேறு அலைநீளங்களைக்
கொண்டது. இதைப் பயன்படுத்தினால், பல்வேறு
கோடுகள் தெரியும். இக்கோடுகளில் எது ராமன் கோடு
என்று கண்டறிய இயலாது.

ராமனின் பரிசோதனை அமைப்பு இரண்டு கோடுகள்
மட்டும் தெரியும் விதத்தில் அமைக்கப் பட்டிருந்தது.
ஒன்று ராலே கோடு. இன்னொன்று ராமன் கோடு.
1928 பெப்ரவரி 28 அன்று ராமன் கோடு தெரிந்தது.
அதுவரை தெரியாமல் இருந்த கோடு அபூர்வமாக
அன்றுதான் தெரிந்தது. அந்த நாள் அபூர்வமான நாள்.
எனவே அந்த நாள் தேசிய அறிவியல் நாள் ஆகியது.

கோடு தெரிந்ததுமே பரவசம் அடைந்தார் ராமன்.
"டேய், கிருஷ்ணா, கோடு தெரியுதுடா" என்று கத்திக்
கொண்டே ஆய்வகத்தை விட்டு வெளியே ஓடினார்
ராமன். கிருஷ்ணன் அவருடைய மாணவர்; உதவியாளர்.
மொத்தப் பல்கலைக் கழகமும் எதுவும் புரியாமல்
ராமனை வியப்புடன் பார்த்தது.

ஆம், அறிவியலின் பேருண்மையைக் கண்டறிந்த
எந்த ஒரு விஞ்ஞானியும் கிளர்ச்சியுறுவது இயற்கையே.
குளியல் தொட்டியில் குளித்துக் கொண்டிருக்கும்போது,
ஓர் அறிவியல் உண்மையைக் கண்டுபிடித்த ஆர்க்கிமிடிஸ்,
யூரேகா என்று கத்திக் கொண்டே தெருவில் ஓடியது போல
ராமனும் ஓடினார். ஆம், ராமன் அப்போது ground stateல்
இல்லை; அவர் highly excited stateல் இருந்தார்.
*****************************************************




    









==================

Raman Effect:

The monochromatic light is scattered when it is allowed to pass through a substance. The scattered light contains some additional frequencies other than that of incident frequency. This is known as Raman effect.

The lines whose frequencies have been modified in Raman effect are called Raman lines. The lines having frequencies lower than the incident frequency are called Stoke's lines and the lines having frequencies higher than the incident frequency are called Anti-stokes lines. This series of lines in the scattering of light by the atoms and molecules is known as Raman Spectrum.

The Raman effect can be easily understood, by considering the scattering of photon of the incident light with the atoms or molecules. Let the incident light consist of photons of energy $h{v}_0$.

1. If a photon strikes an atom or a molecule in a liquid, part of the energy of the incident photon may be used to excite that atom of the liquid and the rest is scattered. The spectral line will have lower frequency and it is called stokes line.

2. If a photon strikes an atom or a molecule in a liquid, which is in an excellent state, the scattered photon gains energy. The spectral line will have higher frequency and it is called Anti-stoke's line.

3. In some cases, when a light photon strikes atoms or molecules, photons may be scattered elastically. Then the photons neither gain nor lose energy. The spectral line will have unmodified frequency.

If $v_0$ is the frequency of incident radiation and $v_s$ the frequency of scattered radiation of a given molecular sample, then Raman Shift or Raman frequency ${\Delta }_v$ is given by the relation $Dn=n_0-n_s$.

The Raman shift does not depend upon the frequency of the incident light but it is the characteristic of the substance producing Raman effect. For Stoke's lines, ${\Delta }_v$ is positive and for Anti-stoke's lines ${\Delta }_v$ is negative.

The intensity of Stoke's line is always greater than the corresponding Anti-stoke's Line. The different processes giving rise to Rayleigh. Stoke's and Anti-stokes lines are shown in Figure.

When a system interacts with a radiation of frequency $v_0$, it may make an upward transition to a virtual state. A virtual state is not one of the stationary states of the molecules. Most of the molecules of the system return back to the original state from the virtual state which corresponds to Rayleigh scattering. A small fraction may return to states of higher and lower energy giving rise to Stoke's line and Anti-stoke's line respectively.