質問: ラマン散乱:ストークス光、アンチストークス光の強度について wikipediaでラマン効果を調べると、 (1)ラマン散乱の原理は、熱的振動している分子に光が当たると、変調されて周波数が変わり、周波数が低くなる方がストークス、高くなる方がアンチストークス光となるそうですが、これだけだと、ストークス、アンチストークス光が同じ比率で出てくると思います。 (2)次に、同じwikipediaで、ストークス光は、分子を基底状態から振動励起状態に励起する場合の散乱(エネルギーを与えるので、周波数が低くなる。)、アンチストークスは、振動励起状態から、基底状態に戻す (エネルギーを貰うので、周波数が高くなる。)散乱という説明があります。これは、ストークス光の説明については、(1)の説明と矛盾します。 それで、私なりの解釈なのですが、 ・振動している分子に光が当たった場合: ストークス光、アンチストークス光が両方均等に現れる。 ・振動していない分子に当たった場合:ストークス光だけが現れる。 と考えているのですが、これは正しいでしょうか?
回答: 私の頭の中では、no.1では半導体結晶やファイバのような固体を想定し、no.2ではco2のような気体分子を想定した説明をしたので、混乱させてしまったかもしれません。ごめんなさい。 私も固体物理を専門に勉強した訳ではないので、「フォノンとは何か」と改めて聞かれると説明に窮してしまいますが、no.2で引いたwikipediaにあるように、フォノンは主に結晶中での格子振動(つまり原子の振動)を表す概念です。 結晶中の原子同士の結びつきは、最外郭電子の関与の度合いによって共有結合からイオン性結合までいろいろありますが、要は電子と原子核との静電気力による結びつきなので、原子同士をバネで結びつけたように、原子間の距離はある程度伸び縮みできます。 つまり固体(結晶)中であっても、熱エネルギーにより原子は常に振動しています。 但しそれぞれの原子が自由勝手に振動できる訳ではなく、隣の原子や更にその隣の原子とも協調(相互作用)して、振動のピークは結晶全体を一つの波束のように動き回っています。 この波束を、エネルギーe=hνの光子と同様に粒子と見立てたものがフォノンと、私は理解しています。 no.2のお礼で参照された先のq&aでは随分難しい説明がされていますが、音響モードと光学モードとは次のように区別されます。 簡単のために一次元に並んだ結晶格子を考えた場合、隣同士の原子が同じ方向に動くのが音響モード、別の向きに動くのが光学モードです。 例えばこんな具合。(・は原子の元の位置を示す) (音響モード) ・→ ・→→ ・→ ・ ←・ ←←・ ←・ (光学モード) ・→ ←・ ・→ ←・ ・→ ←・ # 上図はどちらも縦波を示しましたが、もちろん横波もあります。 結晶がイオン結合性が強いとすると、光学モードでは正負の電荷が逆の方向に動くので、光(電磁波)と強い相互作用をします。(だから「光学」モード)