రామన్ ఎఫెక్ట్



చారిత్రక నేపథ్యం
ద్రవాలపై పడిన కాంతి కిరణాలు ఎలా పరిక్షేపం చెందుతాయో (చెదురుతాయో) తెలిపే పరిశోధన ఫలితాన్నే రామన్ ఎఫెక్ట్ అంటారు. అంతేకాని సముద్రపు నీటిపై సూర్యకాంతి పడినప్పుడు ఆ కాంతి లోని నీలం రంగు ఎక్కువగా పరిక్షేపం (scattering) చెంది (చెదిరి) మన కంటికి చేరడం వల్లనే సముద్రం నీలంగా కనిపిస్తుందన్న దృగ్విషయం రామన్ ఎఫెక్ట్  కాదు. కాని సముద్రపు నీలి రంగుకీ రామన్ ప్రభావానికి బొత్తిగా సంబంధం లేకపోనూ లేదు. ఇది లోతుగా తరచి చూడవలసిన అంశం.

ప్రఖ్యాత భారతీయ భౌతిక శాస్త్రవేత్త సర్ సి.వి. రామన్ సిద్ధాంతీకరించిన రామన్ ప్రభావం అంటే ఏమిటో అర్థం చెసుకోవడం అంత తేలిక కాదు; శ్రమ పడితే కాని అర్థం కాదు.

నీరు రంగు, రుచి, వాసన లేని పదార్థం అని పాఠశాలలో చెబుతారు; ఒక గాజు కుప్పెలో పోసిన నీరు రంగు లేనట్లే కనిపిస్తుంది. కాని లోతుగా ఉన్న జలాశయాలలోను, సముద్రంలోను నీరు నీలంగా కనిపిస్తుంది. ఇలా కనిపించడానికి కారణం నీటికి ఉన్న సహజమైన లేత నీలి రంగే. అనగా తెల్లటి సూర్య రస్మి నీటి మీద పడ్డప్పుడు ఆ సూర్య కిరణాలలోని ఎరుపు రంగుని నీరు పీల్చుకుని, మిగిలిన నీలి రంగుని బయటకి వెలిగక్కుతుంది. దీనినే చెదరడం లేదా పరిక్షేపం చెందడం అంటారు. 

కాని దూరం నుండి సముద్రాన్ని చూస్తే అది నీటికి ఉన్న సహజమైన లేత నీలి రంగులా కాకుండా ముదురు నీలం రంగులో కనిపిస్తుంది. దీనికి కారణం మనకి కనిపించే నీలి రంగులో కొంత సహజమైన లేత నీలి అయితే మరి కొంత ఆకాశపు నీలి రంగు నీటిలో పరావర్తనం చెంది కనబడడమే. అందుకనే సముద్రం ఆకాశం కంటె ఎక్కువ నీలంగా కనిపిస్తుంది. సముద్రం ఎక్కువ నీలంగా కనిపించడానికి ఇంకా ఇతర కారణాలు ఉన్నాయి. మూడొంతులు రామన్ పడవలో ప్రయాణం చేస్తూన్నప్పుడు ఈ మిగిలిన కారణాలు ఏమై ఉంటాయా అని ఆలోచించి ఉండవచ్చు. ఆ ఆలోచనా స్రవంతి చివరికి రామన్ ప్రభావానికి దారి చూపించి ఉండవచ్చు.

టూకీగా రామన్ ప్రభావం
కాంతి ఒక పదార్థం మీద పడ్డప్పుడు ఆ కాంతిలోని కిరణాలు ఆ పదార్థంలోని అణువులని (atoms),  బణువులని (molecules) గుద్దుకుంటాయి. గోడ మీదకి బంతిని విసిరితే ఆ బంతి పరావర్తనం చెంది వెనక్కి వస్తుంది. ఇదే విధంగా కాంతి ఒక యానకంలోని రేణువులని (particles) గుద్దుకున్నప్పుడు ఆ కాంతి కిరణాలు పరావర్తనం చెంది వెనక్కి వస్తాయి. కాంతి కిరణంలోని తేజాణువులని (ఫోటానులని) రంగు బంతులతో పోల్చవచ్చు. ఏ "రంగు బంతిని" యానకం మీదకి విసిరేమో అదే రంగు బంతి తిరిగి వస్తే దానిని రేలీ పరిక్షేపం (Raleigh effect) అంటారు.  అనగా, ఏ రంగు కిరణం లోపలికి వెళితే అది పరావర్తనం చెంది అదే రంగుతో బయటకి వస్తే ఆ ప్రక్రియని రేలీ పరిక్షేపం అంటారు. 

రామన్ గమనించినది ఏమిటంటే (మాటవరసకి) ఒక కోటి తేజాణువులని యానకం మీదకి వదిలితే అందులో ఒకటో రెండో రంగు మారి బయటకి వస్తున్నాయి.  భౌతిక శాస్త్రంలో కాంతి కెరటం యొక్క తరంగ దైర్ఘ్యం (wavelength) రంగుని సూచిస్తుంది. అంటే పతనమైన కాంతి కిరణం ఒకటైతే పరావర్తనం చెంది తిరిగి వచ్చిన కిరణాలలో కొన్నింటి తరంగ దైర్ఘ్యం (రంగు) తేడాగా ఉంటోంది. ఈ దృగ్విషయానికి రామన్ ప్రభావం అని పేరు పెట్టేరు. 

మరొక సారి. కాంతి కిరణాలు ఒక ద్రవ పదార్థంపై పడినప్పుడు ఆ కాంతి పరిక్షేపం చెందుతుంది. అంటే కాంతి కిరణాల్లోని ఫోటాన్ కణాలు (తేజాణువులు) ద్రవ పదార్థాల బణువులపై పడి పరిక్షేపం చెందుతాయి. చెదిరిన తేజాణువులలో సింహభాగం వాటి పూర్వపు తరచుదనాన్ని (frequency) ని  కోల్పోవు;  కొన్ని  మాత్రం కాసింత తక్కువ తరచుదనం (పౌనఃపున్యం)తో పరిక్షేపం చెందుతాయి. అంటే పడిన కాంతిలో కొంత భాగం మాత్రం వేరే పౌనఃపున్యం సంతరించుకుంటుంది. ఇదే రామన్ ఎఫెక్ట్. దీన్ని కనుగొన్నందుకు ఆయన 1930లో నోబెల్ బహుమతిని అందుకున్నారు.

రామన్ ప్రభావం మొట్టమొదటిసారిగా ప్రయోగశాలలో ప్రత్యక్షంగా చూపించినది రామన్ అని అందరూ ఒప్పుకున్నదే. కాని ఈ ప్రక్రియ ఎందుకు ఇలా జరుగుతోంది అన్న  ప్రశ్న కి సమాధానం ఇతరులు అందించేరు. ఆ వివరణ కావాలంటే కొంచెం లోతుగా వెళ్లాలి.

రామన్ ప్రభావం వివరణ

(అ)స్థితిస్థాపక సంఘాతం
ఈ దృగ్విషయం సమగ్రంగా అర్థం కావాలంటే భౌతిక శాస్త్రంలో "గుద్దుకోవడం" లేదా సంఘాతం (collision) అనే భావం అర్థం కావాలి. ఉదాహరణకి కేరం బల్ల మీద పిక్కలని కాని, బిలియర్డ్ బల్ల మీద బంతులని కాని తీసుకుందాం. రెండు బిలియర్డ్ బంతులు సమాన వేగంతో ఎదురెదురుగా వచ్చి ఢీకొని, పరావర్తనం చెంది -  వేగంలో నష్టం లేకుండా - వెనక్కి ప్రయాణం చేసేయనుకుందాం.  అనగా ఈ రకం సంఘాతంలో పతన గోళాల  (incident balls) మొత్తం గతిజ శక్తి (kinetic energy)  క్షీణించకుండా పరావర్తన గోళాల మొత్తం గతిజ శక్తికి ఆపాదించబడుతుంది; ఈ రకం సంఘాతాన్ని ఉత్తమ (శుద్ధ) సంఘాతం (perfect collision)  అని కాని ఉత్తమ స్థితిస్థాపక సంఘాతం (perfect elastic collision) అని కాని అంటారు.  వాయువులలో ఉన్న అణువులు (atoms) కాని, బణువులు (molecules) కాని గుద్దుకున్నప్పుడు కూడ ఇటువంటి సంఘాతం జరుగుతుందని మనం ఊహించుకుని నమూనాలు నిర్మించుకుంటాం.

మరొక రకం సంఘాతం ఉంది. దానిని అస్థితిస్థాపక సంఘాతం (inelastic collision) అంటారు. ఈ దృగ్విషయం అర్థం చేసుకోడానికి చిన్నపిల్లలు ఆడుకునే "ఆట రైలుబండి" (toy train) ని తీసుకుందాం. ఈ రైలు బండికి రైలు పెట్టెలు ఉంటాయికదా. ఈ పెట్టెలని చిన్న చిన్న అయస్కాంతపు ముక్కల సహాయంతో అతికి పొడుగాటి బండిని చేసుకోవచ్చు.  ఈ రకం పెట్టెలని రెండింటిని పట్టాల మీద ఎదురెదురుగా పెట్టి, వాటిని తోసి, ఢీకొనేటట్లు చేసేమనుకుందాం. అవి గుద్దుకోగానే ఒకదానికి మరొకటి అతుక్కుపోతాయి - అయస్కాంతపు ముక్కల వల్ల! ఇది (శుద్ధ) ఉత్తమ అస్థితిస్థాపక సంఘాతం (perfect inelastic collison) అనే ప్రక్రియకి ఉదాహరణ. ఈ రకం సంఘాతంలో అత్యధిక గతిజ శక్తి (kinetic energy) కి నష్టం వస్తుంది. (అనగా వేడిగానో, ఒరిపిడి గానో మారిపోతుంది.) 

నిజానికి ప్రకృతిలో జరిగే సంఘాతాలు శుద్ధ సంఘాతాలు కావు; మధ్యేమార్గంలో ఉంటాయి. ఉదాహరణకి ఒక బంతిని h  మీటర్ల ఎత్తు నుండి నేల మీదకి జారవిడిస్తే అది నేలకి తగిలి తిరిగి పైకి లేస్తుంది కాని, పూర్తిగా  h మీటర్లు లేవదు; ఎందుకంటే కొంత శక్తిని నష్టపోయింది కనుక. ఇది అస్థితిస్థాపక సంఘాతం (inelastic collison) కి ఉదాహరణ.

(అ)స్థితిస్థాపక పరిక్షేపం
రెండు రేణువులు (particles ) గుద్దుకున్నప్పుడు ఆ రేణువుల మధ్య స్థితిస్థాపక సంఘాతం కాని (అ)స్థితిస్థాపక సంఘాతం కాని జరిగి ఆ రేణువులు చెదిరిపోతాయి. ఇలా చెదరడాన్ని పరిక్షేపం (scattering)  అంటారు.  ఈ పరిక్షేపం కూడ రెండు రకాలు: స్థితిస్థాపక పరిక్షేపం (elastic scattering), అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపం (inelastic scattering).

దృశ్య స్థితిస్థాపక పరిక్షేపాలకి ఉదాహరణలు: (Examples of Optical Elastic Scattering)

 ఒక అణువుని కాని బణువుని కాని ఆల్పా కణాలు గుద్దుకున్నప్పుడు అవి  స్థితిస్థాపక పరిక్షేపానికి లోనవుతాయి. ఈ దృగ్విషయాన్ని రూథర్ఫర్డ్ పరిక్షేపం (Rutherford scattering ) అంటారు.
 పరిక్షేపం చెందే సందర్భంలో తేజాణువుల పాత్ర ఉంటే దానిని దృశ్య పరిక్షేపం (optical scattering)  అంటారు.
 ఒక తేజాణువు (ఫోటాను), ఎలక్ట్రాను గుద్దుకున్నప్పుడు జరిగే స్థితిస్థాపక పరిక్షేపాన్ని థాంసన్ పరిక్షేపం (Thomson scattering) అంటారు.
 ఒక యానకంలో ఉన్న రేణువుల పరిమాణం ఆ రేణువుల మీద పతనమయే తేజాణువు (ఫోటాను లేదా వెలుగు కణం) పరిమాణం కంటె బాగా చిన్నవయినప్పుడు జరిగే పరిక్షేపాన్ని రేలీ పరిక్షేపం (Raleigh scattering) అంటారు.
దృశ్య అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపాలకి ఉదాహరణలు: (Examples of Optical Inelastic Scattering)
 ఈ కోవకి చెందే పరిక్షేపానికి మచ్చుతునక రామన్ పరిక్షేపం. ఇక్కడ ఒక తేజాణువు ఒక పదార్థపు అణువులమీద కాని, బణువుల మీద కాని పతనం అయినప్పుడు ఆ రేణువులకి స్వతహాగా ఉండే ప్రకంపన (vibrational), ప్రదక్షణ (rotational) శక్తులని మార్చివేస్తుంది.
 కాంప్టన్ పరిక్షేపం (Compton scattering)  కూడ అస్థితిస్థాపక పరిక్షేపమే! ఇక్కడ ఒక తేజాణువు స్వతంత్ర ప్రతిపత్తి ఉన్న ఎలక్ట్రాను (free electron) తో ఢీకొనడం జరుగుతుంది.
 Raman scattering is the inelastic scattering of a photon on a bound electron, with the electron being excited to a higher bound state. Thomson and Compton scattering both are based on inelastic scattering of photons on free (unbound) electrons.

తేజాణువులు (ఫోటానులు), కంపాణువులు (ఫోనానులు)
రామన్ పరిక్షేపం సమగ్రంగా అర్థం కావాలంటే తేజాణువు (ఫోటాను, photon) అంటే ఏమిటో, కంపాణువు (ఫోనాను, phonon) అంటే ఏమిటో కొద్దిగా తెలియాలి. తేజాణువు అంటే కాంతి రేణువు. కంపాణువు అంటే "కంపన రేణువు"  అని ఊహించుకోవచ్చు. (A photon is a packet  of light energy and a phonon can be thought of, analogously, as a packet of vibrational energy). ఈ కంపనాలు ఎక్కడ నుండి వస్తున్నాయి? ఒక పదార్థంలో ఉన్న అణువులు, బణువులు కదలకుండా నిలకడగా ఉండలేవు. అవి అలా కంపిస్తూనే ఉంటాయి. యానకం ఘనరూపంలో కాని, ద్రవ రూపంలో కాని ఉన్నప్పుడు ఆ పదార్థంలోని అణువులు, బణువులు వ్యష్టిగా కాకుండా ఉమ్మడిగా ప్రకంపన పొందుతూ ఉంటాయి. ఈ ఉమ్మడి ప్రకంపనలో ఉన్న శక్తి స్వరూపాన్ని కంపాణువు (ఫోనాను) అని అభివర్ణించవచ్చు. 

 A photon is a form of energy but the phonon is a mode of oscillation that occurs in lattice structures of the material medium.

 A photon can be considered as a wave or as a particle, which are physically observable entities. A phonon is a mode of vibration, which is neither a wave nor a particle.

దృశ్య కంపాణువులు, శ్రవణ కంపాణువులు
 ఒక పదార్థంలోని అణువులు కాని బణువులు కాని కంపిస్తున్నప్పుడు వాటిని వీణ తీగల కంపనాలతో పోల్చవచ్చు. పక్కపక్కని ఉన్న తీగలు లయబద్ధంగా, అనుశృతిగా (in-phase)  కంపిస్తూ ఉంటే శబ్దం ఒకలా ఉంటుంది, శృతి  తప్పితే (out-of-phase) మరొకలా ఉంటుంది. ఇదే విధంగా పక్కపక్కన ఉన్న కంపాణువులు శృతిలో ఉంటే వాటిని దృశ్య కంపాణువులు (optical phonons) అనిన్నీ, అవి శృతి తప్పితే వాటిని శ్రవణ కంపాణువులు (accousti phonons ) అనిన్నీ అంటారు. ( Optical phonons arise from out-of-phase vibrations between neighboring atoms (that is, neighboring vibrations are out of step), while in-phase (or, in-step) vibrations give rise to acoustic phonons.)
 కాంతి యానకం (ద్రవ రూపంలో ఉన్నా,  ఘన రూపంలో ఉన్నా సరే) మీద పడ్డప్పుడు ఆ యానకం ఉత్తర క్షణంలో స్పందించలేదు; స్పందనకి రవంత కాలం పడుతుంది. ఈ ఆలశ్యానికి కారణం యానకంలో ఉన్న అణువులు అమరి ఉన్న చట్రం కంపించడమే. ఈ ప్రకంపనలవల్ల దృశ్య కంపాణువులు పుడితే అప్పుడు దానిని రామన్ పరిక్షేపం అంటారు; శ్రవణ కంపాణువులు పుడితే దానిని బ్రిల్లయున్ పరిక్షేపం అంటారు. (When light falls on a liquid or a solid medium, the medium's response, although very fast, is not instantaneous. In particular, a non-instantaneous response is caused by vibrations of the crystal lattice. When these vibrations are associated with optical phonons, the effect is called Raman scattering, whereas acoustical phonons are associated with Brillouin scattering.)

ఉపయోగాలు
ఒక పదార్థంలో ఉన్న అణువుల కంపనాల గురించి సమాచారం చెబుతుంది కనుక రామన్ ప్రభావం ఉపయోగించి ఆ పదార్థంలో ఉన్న అణువుల నిర్మాణ శిల్పం తెలుసుకోవచ్చు. కనుక రామన్ ఎఫెక్ట్ ద్వారా రసాయనిక పదార్థాలలో అణు, బణు నిర్మాణాల పరిశీలన చెయ్యడం సుసాధ్యం అయింది. 
పరిశ్రమల్లో కృత్రిమ రసాయనిక సమ్మేళనాల పరిశీలనకు
వైద్య రంగంలో అవసరమయ్యే మందుల విశ్లేషణకు

ఇవి కూడా చూడండి 
రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

మూలాలు

బయటి లంకెలు
 Explanation from Hyperphysics in Astronomy section of gsu.edu
 Raman Spectroscopy - Tutorial at Kosi.com
 December 1930;Prof. R. W. Wood Demonstrating the New "Raman Effect" in Physics
 A short description of spontaneous Raman scattering
 Raman Effect: fingerprinting the universe
 rp-photonics.com/raman_scattering
 YouTube presentation
భౌతిక శాస్త్రం
రసాయన శాస్త్రం