Ramanstreuung

Ramanstreuung (nach Chandrasekhara Venkata Raman) ist inelastische Lichtstreuung. Einfallendes Licht trifft auf einen Streuer und verläßt diesen als gestreutes Licht wieder. Das gestreute Licht hat dabei eine vom einfallenden Licht verschiedene Frequenz bzw. Energie (dieser Umstand wird durch das Attribut inelastisch zum Ausdruck gebracht).

Die Theorie der Ramanstreuung beschreibt das Experiment folgendermaßen: Ein Photon der Energie $E_i=\hbar\omega_i$ trifft auf den Streuer und erzeugt (oder vernichtet) dort eine Anregung der Energie $E_{\rm exc}$. Die übrigbleibende Energie $E_i - E_{\rm exc}$ verläßt als Photon der Energie $E_s$ wieder den Streuer.

Bei dem Streuer kann es sich z.B. um ein Molekülgas handeln. Dann sind die möglichen Anregungen durch Molekülschwingungen, Moleküldrehungen oder Anregungen einzelner Atome gegeben.

Handelt es sich bei dem Streuer um einen kristallinen Festkörper, sind typische Anregungen Gitterschwingungen (Phononen) oder Elektron-Loch-Anregungen.

Oben wurde die Erzeugung einer Anregung beim Streuprozess erwähnt. In diesem Fall hat das gestreute Licht weniger Energie (bzw. ist niederfrequenter) als das einfallende Licht. Man redet vom Stokes-Prozess.

Bei endlicher Temperatur befindet sich der Streuer nicht im Grundzustand, es sind also Anregungen vorhanden. Beim Anti-Stokes-Prozess verursacht das einfallende Licht die Rekombination der Anregung. Das gestreute Licht hat daher mehr Energie (bzw. ist höherfrequenter) als das einfallende Licht.

Phonon-Ramanstreuung

Phonon-Ramanstreuung bezeichnet die inelastische Lichtstreuung an Gitterschwingungen (Phononen) in Kristallen.

Der Zustandsraum der Phononen im kristallinen Festkörper kann durch die Phonon-Bandstruktur veranschaulicht werden. Es handelt sich dabei um Energieflächen im Raum der Wellenzahlen. In einem 3-dimensionalen Kristall mit $N$ Atomen pro Einheitszelle erhält man $3\cdot N$ Energieflächen (``Äste'') (bzw. unterschiedliche Typen von Phononen). Darunter sind 3 akustische Phononen und $3\cdot(N-1)$ optische Phononen. Für akustische Phononen verschwindet die Frequenz im Grenzfall langer Wellenlängen linear, die Steigung ist durch die Schallgeschindigkeit gegeben. Optische Phononen haben dagegen eine feste endliche Frequenz im Grenzfall langer Wellenlängen.

Da die Dispersionsrelation der Photonen bei Wellenzahl ${\mathbf q} \approx 0$ sehr steil ist (hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit), sind die im Kristall durch den Streuvorgang verursachten Anregungen (Phononen) durch Wellenzahl ${\mathbf q} \approx 0$ gekennzeichnet: es handelt sich um Anregungen am $\Gamma$-Punkt. Aus diesem Grunde sind akustische Photonen bei der Ramanstreuung irrelevant. Bei Phonon-Ramanstreuung handelt es sich immer um Streuung an optischen Phononen.

Abgrenzung

Streuung von hochenergetischen elektromagnetischen Wellen (mind. Röntgenstrahlung) an freien (bzw. quasifreien) Elektronen bezeichnet man als Compton-Streuung (Compton-Streuung ist ein Beweis dafür, daß elmag. Wellen aus Photonen bestehen). Hier handelt es sich ebenfalls um inelastische Lichtstreuung. Bei dem Streuprozess wird Energie auf das Elektron übertragen: dessen Impuls vergrößert sich. Bei kleineren Energien des einfallenden Lichtes ist der Impulsübertrag vom streuenden Licht auf das Elektron vernachlässigbar. Die Streuung ist dann elastisch und heisst Thomson-Streuung.