拉曼对光散射的实验研1.docx

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拉曼对光散射的实验研1

拉曼对光散射的实验研究*

刘战存’李慧鹏

（首都师范人学物理系一化京100037）

摘要介绍了拉曼的牛平和刘一物理学的卞要贡献回顾了他从观察海水的蓝色入手继而发现气体、液体刘一光的

散射规律一自到发现物质的散射光小仅包含原来的波比而目_还包括与原入射光小同的其他波民的散射的研究过

程并讨论了他的成功刘一我们的启不.

关键词拉曼光的分子散射拉曼效应变散射

sexperimentalresearchonlightscattering

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（ThePhysicsDepartmmat了tlu:

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AbstractRamari*lifeandhismaincontributionstothedevelopmentofphysicsare

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scc"cess

Keywords

Rarrran,molecularscatteringofli妙It,Rarrraneffect,modifiedscattering

拉曼的生平

拉曼（ChandrasekharaVenkataRaman）1888年

11月7日出生于印度南部的特单奇诺波利，父亲是

一位数学和物理学讲师，受父亲影响他对科学有很

浓厚的兴趣，母亲培养了他自强自立的信念[’].由

于智力超常，他11岁进入AVN学院，后进入马德

拉斯省学院，1904年以优异成绩毕业时荣获物理学

和英语金质奖章;因身体不宜赴英国留学，只好留在

原校深造;1907年获文学硕士学位后进入印度财政

部成为总会计师助理;1917年被加尔各答大学聘请

为教授;1928年2月28日发现了拉曼效应;1930年

获诺贝尔物理学奖.1934年到班加罗尔任印度科学

学院院长，1948年退体后任班加罗尔新建的拉曼研

究所所长，并被新独立的印度政府任命为国家教授，

1970年11月21日在班加罗尔逝世.

他的一生对科学作出了杰出贡献:

他对弦振动和乐器理论进行了深入研究;他还研究了超声波作

用下的媒质对光的衍射，创建了Raman-Nath}}.

论;研究了X射线对光照射下的品体中的红外振荡

的影响，金刚石以及许多闪光物质的结构和光学特

性;一生共发表论文450多篇，培养了1350多名学

生，有力地推动了印度科学的发展.

2对光散射的研究

2.1初步研究

1921年他作为代表出席了在牛津举行的英国

大学大会，海上的航行使他有机会看到美丽的地中

海.拉曼在船上进行了儿个小时的实验考察.他用装

有尼科耳棱镜的小型望远镜观察沿布儒斯特角从海

单反射来的光线，这样可以消去反射的天空的蓝色，看到的应是来自海水的颜色.实验结果表明，他看到

的海水的鲜明的蓝色是从水单发出的，比天空的更

蓝.接着他又用光栅分析海水颜色成分，发现海水光

cr,的最大值比天空光cr,的最大值更偏蓝.认为海水

的蓝色可能是水分了对阳光的一种分了散射效

应[zl.2.2进一步的的研究

拉曼回到加尔各答后把注意力集中到研究海水

颜色上.他根据爱因斯坦一斯莫卢霍夫斯基公式

（Einstein-SmoluchowskiFormula，以下简称E-S

公式），即散射系数

R抓}zRTR-io}4}n一1）z（n2+2）z,（‘）

}oN

式中R为普适气体常量，T为温度，R为等温压缩

率，N_}为阿伏伽德罗常数，人为光波长,n为媒质的

折射率.估计水在30℃时的散射光强是纯净的空气

在标准条件下产生的散射光强的160倍L=}l，为了检

验这一估计，拉曼安排了一个实验，测量在垂直于入

射光方向水散射光的强度和偏振情况.开始用的是

通常的自来水，发现光束入射时显示了强散射，“并

显示出数不清的漂浮着的微小尘埃.用一定厚度的

瑞典滤纸反复过滤可以得到一些改进……采用了一

个偶然的步骤，即向水中加入碱和明矶，可以脱掉凝

胶的氢氧化物，……实验有了进一步发展.下一步尝

试就是用化学实验室储存的不需任何处理的普通蒸

馏水，..…立刻使散射光强度比用经过许多步骤过

滤的自来水来得弱.’，[“]实验发现水散射光强是标

准条件下的纯净空气散射光强的175倍.这个数字

比理论估计稍大了一些，最好的解释是由于水中仍

有剩余的杂质.拉曼希望用更纯净的水样品做更多

的实验.实验结果验证了他根据E-S公式作出的

估计.他可以确定"SOm深的水层对光的散射与厚度

为8000m的空气相当;换句话说，这时水呈现的颜

色与天空一致.”[5]他还通过观察来自天空的光的

偏振确定气体的各向异性，但是尘埃和低层的薄雾

都会影响这一观察，为此拉曼去了Dodabetta—印

度西高止山山脉的Nil}iri山的最高点（海拔约

3000m）去观察.

为了弄清光散射的规律，拉曼和助乎们研究了

各种物质（包括水、乙醚、酒精、苯、二氯甲烷、其他液

体以及不同液体的混合物和一些固体）对光的散射

情况，从这些研究中得出并验证了一些结论:

900角

的散射具有偏振和非偏振的两种分量，前者来自密

度的涨落，后者是由分了的各向异性引起;液体混合物的浓度涨落比由密度引起的涨落对散射的影响更

大.通过最初儿个月的实验观察，弄清了光被分子散

射是一种很普遍的现象，这种现象不仅在气体和蒸

汽中存在，而目也在液体、品体和非品固体中发生.

2.2.1“弱荧光”的发现

1923年4月，拉玛南辛（RamanathanI}R）在拉

曼的指导下对光通过液体时发生的散射现象做了认

真的研究.如图1所示，将太阳光会聚到装有液体的

容器上，散射光径迹可以在横的方向上观察到.在入

射光路中先加上一个紫色滤光片，这时只有紫光照

射液体，再将一个与其匀_补的绿色滤光片放在紫色

滤光片与散射物质之间，则可切断所有的光线;将这

一绿色滤光片取出，并使散射光通过它，这时除了绿

色，其他的光全部被滤掉.但此时仍能看到光的径

迹，只是很微弱，拉玛南辛称这种现象为“弱荧光”.

他认为这是由液体中的杂质造成的。

.

由于光的径迹具有偏振性，拉曼不相信这是杂质

引起的荧光现象，要求拉玛南辛除去液体中的杂质.

随后拉马南辛将液体在真空中反复缓慢蒸馏、化学提

纯后再做实验，发现这种波长改变的散射光成分仍然

不减弱，这就证实了拉曼的看法:

所谓的“弱荧光”现

象是由散射物质的特有性质引起的.但这种现象的本

质到底是于}一么还不能确定.事实上，由于1923年康普

顿效应的发现，拉曼己开始考虑康普顿效应在光学中

的类比，即散射光有频率变化的情况，是一种新型的

光散射过程.拉曼与克利希南（I}rishnanI}S）一起进

行了一系列的观察，拉曼介绍他的装置时说:

“为了防

止眼睛被外部的光分散注意力，也为了使眼睛对微弱

的照明保持最大的灵敏度，观察者进入一个遮光的木制笼了单，其长宽各为1.2m,高2.5m，我们幽默地称

其为‘加尔各答黑洞，L5l”

1924年的春夏两季，克利希南观察了60多种

液体对光的散射情况，系统地研究了这种现象，发现

水、乙醚和一烃基醇以及少数其他化合物的现象显

著[6].这一问题在化学上的重要性使得温克得斯瓦

兰（VenkateswaranS）试图在1925年夏对其进行较

为完整的研究，但没有取得明显效果.拉曼要求温克

得斯瓦兰观察“弱荧光”光谱，从中找出与一般荧光

不同之处，拉曼本人用冰和玻璃观察到了更明显的

现象，他继续研究粘滞性大的有机液体对光的散射

特性.1928年1月，温克得斯瓦兰研究这个问题时，

得出了非常有趣的结果:

太阳光被高纯度的甘油散

射的颜色不是通常的蓝色，而是鲜艳的绿色，目具有

很强的偏振性.这种现象与拉玛南辛用水和乙醇发

现的现象相同，但强度大得多，因此更有利于研究.

拉曼决定将对有机液体的散射研究工作继续下去.

由于缺少足够亮的光源，虽然用光r,仪进行了尝试，

但光r,未能记录下来.

2.2.2研究的进展

1928年2月，研究有了明显进展.拉曼在16日

发给Nature的论文中指出:

“我们的实验证明了这

一预言，在光被无尘液体或气体散射的各种情况下，

通常的漫射辐射具有与入射光束相同的波长，并伴

随着降低频率的变散射（modifiedscattering）.”他还

介绍了所用的实验装置:

用一焦距为230cm、日径为

18cm的望远镜物镜和一个焦距为5cm的透镜，把

阳光聚成很强的光束.在短焦距透镜的焦点处放置

散射物质（在真空中反复过滤过的液体或无尘蒸

汽），用蓝一紫滤光片配以黄绿滤光片进行观察.实

验证明，这种效应中波长改变的散射光比通常的散

射光弱得多，具有偏振性，目在很多情况下偏振程度

比普通散射光还强，因此这种现象是散射而不是荧

光[}l.克利希南在2月9日的日记中记载了下“!

几发

现乙醚蒸汽的波长改变很显著，拉曼下“!

几二点上课

回来观察到实验现象非常激动，一边绕着那个地方

跑，一边喊着这是第一流的发现[5].

2.2.3换光源后的实验情况

拉曼在获诺贝尔物理学奖的获奖演说中强调:

‘在研究这种新现象时，至今仍使我们感到棘乎的卞

要困难是它一般很微弱.;}a]为便于研究，需采用单

色强光源.

1928年2月28日，利用助乎装好的汞弧灯，拉

曼通过直视分光镜观察.克利希南当天的日记写道:

“用通常的蓝紫色滤光片与一块铀玻璃相配合，使入

射光的波长范围比只用滤光片时更窄，用直视分光

镜观察散射光，我们极为惊奇地发现变散射光与对

应入射光波长的散射被一个黑色区域分开了.”这是

第一次看到散射光的光c}'r,与原入射光的光c}'r,间分开

了一定的间隔，拉曼效应发现了.第一天（2月29

日）一家报纸对此作了报道.

拉曼用一个3000烛光的石英汞月‘，并用直径为

20cm的玻璃聚光透镜使光会聚到装有样品的球形

容器上.“为了便于观察，在入射光路中放上紫色玻

璃，完全滤掉比4358.3U波长更长的光，如蓝、绿、

黄光.这样在光r,的蓝一绿区域，变散射光r,（线状

的，也有时是带状的或连续的）就很明显了.最亮的

变线（modifiedlines）的波长能））\Hilger恒偏向光谱

仪的鼓轮上读出来.然而，摄谱的方法是最方便、最

精密的定量研究方法，而目对于较弱的谱线是惟一

可行的方法.”[9]用当时足够灵敏的底片，要得到相

当好的光谱图，对苯和甲苯在单谱线照射时需曝光

约40h，而对全部汞弧照射的四氯化碳，则需要曝光

25h}}0}.

为了用单色光进行观察，在没有适当滤光片的

情况下，他还采用了浓硫酸奎宁溶液和蓝色的玻璃

滤去4358U及其邻近伴线之外的光;用高锰酸钾溶

液使4047U和4358U及其邻近伴线的强光通过;浓

的硫氰酸钻水溶液用来透过4047认滤去紫外和可

见光部分的其他亮线.

2.2.4实验结果

拉曼从多次的实验中发现变散射光一般有“红

移”现象，而目是强偏振的.在发现X射线的康普顿

效应后，海森伯在1925年预言:

对于可见光来说，也

有类似的效应.因此拉曼称“红移”现象为类康普顿

效应，他详细描述了这个现象（如图2}，+图2（a）是

石英汞蒸气月‘的光rr所有比深紫蓝色波长长的光

全部被滤掉.波长为4358U的谱线在光谱图中标记

为D，光谱图中C为4047U,4078U,4109U的一组

谱线.图2（b）是光通过甲苯产生的散射光光rr图

中除了入射光n线外还有一些其他光n，标为a,6,

。

，另外，还可看到一些比入射光波长更长的的谱

线，只是本图没有取上.当用滤光片滤掉4358U的

r,线时，后一组r,线也消失了.证明这些是入射光波

长为4358U的散射光谱线.同样地，当图2（a）中标

为C的r,线用奎宁溶液滤掉时，图2（b）中标为。

的

谱线也跟着消失，然而由入射光波长为4358U产生

的散射r,线却仍然存在.这样类似康普顿效应的现象就更清晰了，不同的是这单得到的波长移动比在

X射线区域内大得多[川.”实验中还发现，对于不同

的分子，波长的改变一般也不相同.拉曼在压缩的一

氧化碳、一氧化一氮气体、冰品和光学玻璃中，也发

现有波长改变的散射.他种用14种光学玻璃作样

品，观察了其散射光强和偏振程度.拉曼还继续研究

其他液体的散射，拍摄其光r,，发现了“紫移”现象.

实验中发现，由波长为4358U的光产生的变线

都比入射光的波长大，惟有一条比较微弱但很清楚

地出现在原r,线的另一侧，这条线确实证明了在光

散射中频率增大的情况也会发生.这条频率变大的

r,线说明散射光有“紫移”现象.他们也由此发现了

微弱的一次辐射的真实本性的另一个特征.这样拉

曼效应就清晰了:

“在散射光中，不仅含有跟原入射

光频率相同的成分，而目还含有比原入射光频率更

小和更大的成分.这些变更的r,线称为拉曼r,线，他

们对称地位于频率不变的瑞利散射线两侧.;}iz}

3拉曼效应研究成功对我们的启示

拉曼能够在光的散射这一领域取得如此卓越的

功绩，有很多重要原因，也给我们带来了许多有益的

启示，这单卞要讨论四点.

（1>勤奋的工作.应当承认，人与人之间的智力

是有一定的差别的.拉曼m岁通过大学入学考试，

不到19岁就得到了硕士学位，其间还因成绩优异获

得金质奖章，他的智力无疑是超常的，但他兹毫没有

因此而稍有懈怠.到加尔各答财政部工作后六七天，

在上班的电车上，他看到了“印度科学教育I}}会”的

路牌，下班就找到这单，得知I}}会欢迎他来，就挤出

时间到这单搞研究，每天早上5:

30起床去陇会，9:

45回家洗漱，匆匆忙忙吃完早点，然后赶时间乘出

租马车去上班.下“!

几5:

00下班后直奔陇会，晚上9:

30或10:

00回家，有时甚至十到深夜;星期日则一整天都在I}}会.任加尔各答大学教授后，他并没有从

I}}会撤出来，而是把I}}会当成大学研究的另一场所.

他通常早早来到陇会做实验，9:

30匆匆回家洗漱，

一两分钟吃完早饭，抓起讲稿坐上出租马车去讲课.

他仍然常‘常工作到深夜，有时累了就在桌子上睡着

了，直到第一天早上被人唤醒.经过1921年和

1924-1925年的两次出国访问，并A与很多科学家

的广泛接触，给他的生活习惯带来了有益的变化，原

来习惯于不分样夜连续长时间工作，忘记吃饭和体

息，后来的生活和工作变得更有规律和节奏，按时吃

饭体息，晚上抽出短暂时间散散步，这样并不意味着

兹毫的放松，而是更注重实效，更有利于持久工作.

他种经说过:

“在这个世界上没有于I一么东西是可以离

开我们额上的汗水而能得到的!

iLSI;拉曼i1:

是靠这

种勤奋工作的精神取得了一个又一个的成功.

（2）以科学研究为最大的乐趣.拉曼热爱科学事

业，在读硕士期间就对物理学有极为浓厚的兴趣，自

学了瑞利和亥姆霍兹的著作，在伦敦的Phil.Ma}.

上发表过《关于矩孔非对称衍射花样》的论文;到力「

尔各答则政部担任总会计师助理后，仍千方白计挤

出时间到I}}会从事研究工作，父亲病重期间，他从位

光（当时则政部派他到那!

.工作）前去探视，趁此机

会他还对马德拉斯省学院进行了短暂的访问，并存

那单完成了一些实验，以弥补这段时间无法进行实

验的缺憾.他结束了在仰光和那格浦尔的工作回负

加尔各答后，为便于去I}}会进行研究，搬到与I}}会}!

在

近的一所房子，尽竹这所房子条件差，不适合居住，

但I}}会与他的住所之间有一个门使他能随时进入实

验室令他非常满意.他应聘担任加尔各答大学的教

授，并不是因为他在则政部十不下去了，相反他在那

单十得很出色，多次受到上司的表扬，他们不愿意这

样一个“最得力的人”离去.拉曼却兹毫没有因为离

开政府部门感到沮丧，为了能将全部精力投入到他

所热爱的科学事业，每个月的收入从lloo卢比减负

600卢比又算得了于卜么?

他即使是在国外参观游览

中也不忘研究工作，参观爷玻尔教堂，他对那单的巨

音走）郎很感兴趣，当即做了一些实验并发表了两篇

论文.他热情地投身于科学研究之中，直到生命的R

后一息.在拉曼看来，能随时进行研究就是最大的丰

福，n:

是这种研究的愿望促使他得到了丰硕的成果.

（3）科学的思维方式.创新是人脑的一种非常复

杂的思维活动过程，只有按照科学思维方法去创新，

才能获得一定的创新成果.拉曼在对散射的实验研

究中特别注意用比较和类比的方法.注意到大海的蔚蓝色，先是与天空的蓝色相比较，由实验确定大海

的蓝色来自水分了的散射而不是反射天空蓝色的结

果;比较气体和液体散射强度，通过理论上计算两者

散射强度上的差别，再由实验确定两者散射强度之

比;通过比较多种液体和多种气体的散射规律，从中

分析出散射的机制，也得到了变散射产生的条件.拉

曼一直不同意拉玛南辛对“弱荧光”的解释，特别是

1923年康普顿在研究X射线与物质散射的实验单，

发现除了与入射X射线具有波长相同的成分之外

还有波长增长的部分出现，即康普顿效应，这对拉曼

的影响很大.拉曼种在访美期间专门会见了康普顿，

并应邀与他共进早餐，这使他有机会深入了解康普

顿效应.他用一种新的方法推导出了康普顿公式，并

目认为光学中一定有一种与之对应的效应.i1:

是因

为作了这样的类比，确信这一效应的存在，才能够抓

住苗头，指导实验，取得了突破性进展.类比是提出

科学假设的重要乎段，把熟悉的事物和陌生的事物

相类比，把己有的认识推广到未知事物的身上，为研

究未知事物的规律提供了极具启发性的认识方法.

（4）科学的怀疑精神.在科学活动中，怀疑表现

为对传统的概念、学说、理论在新的条件下失去信

任，对其重新进行审查、检查、探索的一种理论思维

活动.拉曼对瑞利将大海的蓝色解释为“仅仅是因为

它反射天空的蓝色”产生了怀疑，用简单的实验装置

进行了检验，证明海水鲜明的蓝色并非是由反射天

空的蓝色所致，由此开始了对光的散射的一系列研

究.尽竹瑞利以严谨缤密的工作作风著称于世，但拉

曼出于对实际现象的分析，并没有自日迷信权威，因

而发现了这一推断的疑点.当他的助乎拉玛南辛发

现了散射后光的频率发生改变的现象，当时人们所

认识的现象中只有荧光符合这种规律，因而认为这

是“弱荧光”.拉曼对此持怀疑态度，卞张进一步研

究，导致了新效应的发现.i1:

是这种“怀疑”，成为创

新的起点，成为新发现的源头.怀疑精神可以说是最

重要的科学精神，值得我们大力倡导.

4结束语

拉曼在信息不畅、条件落后的情况下，成为第一

个赢得诺贝尔物理学奖的亚洲人.1954年，日一地总

理宣布2月28日为“拉曼日”，以表达对这位伟大科

学家的感激之情[’3].拉曼散射与瑞利散射具有明显的区别.瑞利认

为，由于分了质点的热运动破坏了分了间固定的位

置关系，使分了所发出的次波不再相十，因而产生了

旁向散射光，瑞利散射不改变入射光的频率，只是散

射光强和波长的四次方成反比;而拉曼散射是用圆

频率为。

的强单色光入射到物质中时，除有频率不

变的瑞利散射光外，还出现频率减小的散射光（‘

=。

一4叫，称为斯托克斯线，和频率加大的散射

光（‘=。

+4叫，称为反斯托克斯线，频率差

4}/2}等于分了中原了振动的频率（一般在红外波

段），散射光强度远比瑞利散射小.

现在形成了体系完整的拉曼光r,学.激光器的

诞生有力地推动了对拉曼散射的研究.日前激光拉

曼光r,己广泛应用于有机、无机、高分了、生物、环保

等各个领域，成为重要的分析工具.新的拉曼光r,技

术在现代科学研究中发挥着其他技术不可替代的重

要的作用.拉曼给全世界留下了宝贵的科学方法和

创新思路.

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