“拉曼效應”的發(fā)現(xiàn)之路
——紀念拉曼逝世50周年

賈良慧

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210000)

周海忠

(南京師范大學物理科學與技術學院 江蘇 南京 210000)

2020年是亞洲首位諾貝爾科學獎獲得者拉曼逝世50周年．1930年，他因研究光的散射和發(fā)現(xiàn)以他的姓名命名的“拉曼效應”獲諾貝爾物理學獎．這一偉大發(fā)現(xiàn)要追溯到一次旅行，海水的顏色激起了拉曼的好奇心，使這位聲學領域的專家將研究重心轉移到光學上，經過7年探索發(fā)現(xiàn)了“拉曼效應”．通過查閱國內相關圖書、論文等資料，發(fā)現(xiàn)拉曼與海水的顏色故事在我國眾說紛紜，且書籍間記載的拉曼效應的發(fā)現(xiàn)歷程與事實存在較大出入．因此，真實了解這一偉大發(fā)現(xiàn)背后的探索歷程，感受拉曼對自然的強烈興趣和好奇，對科學研究和培養(yǎng)優(yōu)秀科研人才具有一定借鑒意義．

1 拉曼的生平

1888年11月7日，錢德拉塞哈拉·凡卡塔·拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman，1888—1970)(圖1)出生于英國殖民統(tǒng)治下印度南部的一個婆羅門教家庭．父親是一位大學數(shù)學和物理講師，還是一名小提琴手和書籍收藏家，自幼對他進行科學啟蒙教育．14歲，拉曼考入馬德拉斯的總統(tǒng)學院，開啟大學生涯，畢業(yè)后因身體原因未能出國深造，留校攻讀碩士學位．1907年，拉曼由于各種原因未能進入學術界，而是在政府部門工作．同年，加入印度科學培育協(xié)會，利用業(yè)余時間在協(xié)會的實驗室里進行科學研究．直到1917年，拉曼辭去政府工作，任加爾各答大學物理學副教授．1921年，拉曼受邀參加英帝國大學會議，途中他看到美麗的地中海，對海水顏色的成因產生了興趣和好奇心，回國后開始光散射研究．1928年，拉曼發(fā)現(xiàn)了以他名字命名的“拉曼效應”．1930年，因研究光的散射和發(fā)現(xiàn)“拉曼效應”獲諾貝爾物理學獎．1933年，任班加羅爾印度科學研究所主任，兼任物理學教授．1948年，拉曼退休后，為了繼續(xù)從事自己感興趣的研究，創(chuàng)建了拉曼研究所，在這里工作了22年．1970年11月21日，拉曼在印度的班加羅爾逝世，享年82歲．

圖1 拉曼

拉曼不僅在學術上取得了巨大成就，還對國家的科學復興和科學教育事業(yè)做出了巨大貢獻．他組織和建立了印度科學院、拉曼研究所等科研機構，通過創(chuàng)辦《印度物理學雜志》《當代科學》等學術期刊，提高民眾的科學意識，并且一直從事研究生的培養(yǎng)工作，培育出玻色、薩哈等一大批有成就的青年學者．

2 海水的顏色之謎

1921年拉曼參加在牛津舉行的英帝國大學會議，返程途中被地中海美麗的藍色乳光所吸引．海水為什么是深藍色？這個問題縈繞在拉曼腦海中．此前，諾貝爾物理學獎得主瑞利勛爵(Lord Rayleigh，1842—1919)曾解釋過藍色天空的形成原因，認為這是大氣分子對太陽光中的藍光散射造成的，并猜測大海呈現(xiàn)藍色是由于海面對天空顏色的反射．拉曼的直覺使他對瑞利提出的海水藍色成因產生懷疑，他用隨身攜帶的尼科爾棱鏡觀察海水的顏色，驚愕地發(fā)現(xiàn)在消去大海表面反射的天空藍光后，大海的顏色竟比天空的顏色藍得多[1]！

這種現(xiàn)象并非是海面對天空顏色的反射引起的，而可能是由于水分子對陽光的散射．為了檢驗這一猜測，拉曼于9月返回加爾各答后，立即開始了對這個課題的研究，試圖尋找出光在液體中漫射所遵循的規(guī)律．很快，拉曼認識到這個課題的意義遠遠超出了他最初的設想，為他的研究打開了廣闊的領域．

3 小設備 大發(fā)現(xiàn)

受海水顏色的吸引，拉曼開始對光的散射進行研究．1922至1928年拉曼團隊在各種壓力和溫度范圍內進行了光在蒸氣、液體、混合液體、晶體以及非晶固體中的散射研究．

在早期階段，拉曼和他的助手們發(fā)現(xiàn)了一個新的、完全出乎意料的現(xiàn)象：光散射中顏色會發(fā)生改變．1923年拉曼手下的研究學者之一拉瑪南辛首次觀察到陽光經紫色濾光片穿過某些液體或固體(例如水或冰)時，散射光中包含了某些不存在于入射光線中的成分，出現(xiàn)一種微弱的綠光．拉瑪南辛起初認為這是樣品中的一些雜質引起的，由于這種微弱的綠光與熒光相似，故被稱為“弱熒光”[2].然而，將液體化學提純并反復緩慢蒸餾以后，這種成分的強度仍不減弱．這說明“弱熒光”的產生并非由雜質導致，而是與散射物質的特有性質有關．

1925年拉曼手下的另一位研究學者克里希南在研究經過凈化的60種液體光的散射時，也觀察到了相同的現(xiàn)象：光通過水、乙醚、所有一元醇和其他一些化合物后都出現(xiàn)了“弱熒光”．

這種令人費解的現(xiàn)象引起了拉曼極大的興趣，他讓助手們繼續(xù)深入研究．1925年夏天，拉曼團隊的兼職研究員溫克德斯瓦蘭拍攝了陽光經過濾光片在液體中散射的光譜，用以研究這種新現(xiàn)象，但沒有任何明確的結果．1926至1927年間，克里希南在研究散射的消偏振時曾在氣體和蒸氣中仔細尋找過這類現(xiàn)象的存在，但沒有成功．

1927年諾貝爾物理學獎花落康普頓效應的發(fā)現(xiàn)，極大地推動了拉曼尋求光的類似效應，在推導出康普頓散射公式后，拉曼意識到“弱熒光”可能是波長變化的非相干散射，與康普頓效應類似．帶著新的見解，拉曼立即讓克里希南停止在理論方面的探索，開始對液體中的異常散射展開更深入的實驗研究．他讓溫克德斯瓦蘭和克里希南對液體進行凈化，重復觀察實驗現(xiàn)象．

令人興奮的好消息終于傳來，1928年1月，溫克德斯瓦蘭發(fā)現(xiàn)高度純化的甘油散射的陽光顏色不是通常的藍色，而是明亮的綠色[2]．這種現(xiàn)象與拉馬南辛1923年在水和酒精中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象相似，但是強度更高，因此更容易研究，這給了他們解決問題的新動力．

拉曼和他的團隊經過多次的實驗，發(fā)現(xiàn)純甘油散射的顏色每次都與入射光不同，輻射還是強偏振的．這些事實表明，這種現(xiàn)象的實驗特性和康普頓效應之間有明顯的相似性，康普頓的研究使人們知道了散射過程中X射線的波長可能會變長，而用甘油所做的實驗使拉曼了解到，從1923年以來一直使他迷感不解的現(xiàn)象實際上是與康普頓效應相類似的現(xiàn)象，這個認識促使他們開始用純甘油以外的物質進行實驗．

在研究這種新現(xiàn)象時，讓拉曼團隊感到棘手的主要困難是“弱熒光”非常微弱．為了克服困難，他們讓一束陽光先后經過望遠鏡物鏡(孔徑18 cm，焦距230 cm)和透鏡(焦距5 cm)，連續(xù)會聚形成強光源[3]．實驗中在入射光的路徑上放置藍紫色濾光片，在透鏡的焦點處放置散射樣品．為檢測“弱熒光”的存在，采用了互補濾光片．將黃綠色濾光片(顏色與藍紫色濾光片互補)放置在藍紫色濾光片和樣品之間，散射光被完全消除，再將黃綠色濾光片轉移到樣品與觀察者的眼睛之間時，“弱熒光”又重新出現(xiàn)[3]．盡管“熒光”非常微弱，但這是光從紫光真正轉換為綠光的明顯證據(jù)．通過這種方式對近80種不同的芳香族、脂肪族和無機液體進行檢測，都能觀察到波長改變了的散射光，而且在很多情況下，它們都是強偏振的．事實證明：這是一種新的輻射，并不是熒光，拉曼團隊將這種效應命名為“修正散射”(即modified scattering)．

緊接著，拉曼和他的研究人員開始對蒸氣中是否存在該現(xiàn)象進行研究．不久，克里希南在乙醚和戊烯的蒸氣中也觀察到這種現(xiàn)象，甚至可以用眼睛來確定輻射的偏振狀態(tài)．在CO2和N2O氣體、冰晶和光學玻璃中，同樣發(fā)現(xiàn)有波長改變了的輻射，證實了這種現(xiàn)象是與康普頓效應類似的散射光．

1928年2月28日，拉曼和克里希南著手研究入射光波長對這一現(xiàn)象的影響．他們將藍紫色濾光片和一塊鈾玻璃組合，形成波長范圍較窄的入射光，用各種有機液體作為散射物質，結果發(fā)現(xiàn)散射光光譜中波長改變了的新輻射和普通輻射被一道暗區(qū)隔開，這鼓勵他們改用單色光源進行觀測．拉曼團隊用一個配有大孔徑聚光器和鈷玻璃濾色片的汞燈作為光源，借助光譜儀觀察各種液體和固體散射光的光譜(圖2)，發(fā)現(xiàn)所有樣品的光譜都有不存在于入射光譜中的若干條銳線或光帶，至此，“拉曼效應”的發(fā)現(xiàn)就完成了[1]．用于這一發(fā)現(xiàn)的實驗設備總成本不超過500盧比(約7美元)！

圖2 拉曼和發(fā)現(xiàn)“拉曼效應”的實驗儀器

4 拉曼效應

“拉曼效應”也稱拉曼散射，是指一束單色光入射到物質上，入射光的光子與物質的分子發(fā)生碰撞產生能量交換，導致入射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象．它的具體機理是：當入射光照射到某種物質上時，一部分光被吸收，其余的光因物質分布不均勻偏離原來的傳播方向，成為散射光．散射光分為兩部分，一部分保持入射光原有的頻率不變，這種散射稱為瑞利散射，另一部分散射光的頻率與入射光頻率相差一個恒定的數(shù)量，這就是拉曼散射．拉曼散射的形成原因是：散射物中物質分子在入射光子的碰撞下，發(fā)生能級躍遷，其滿足

hν0+E1→hν′+E2

hν0和hν′分別是入射光子與散射光子的能量，E1和E2是物質分子初態(tài)和終態(tài)的能量．當物質分子從低能級躍遷到高能級時，輻射出的散射光子由于能量損失而頻率減小(ν=ν0-νi)，反之當物質分子從高能級躍遷到低能級時，輻射出的散射光子頻率增加(ν=ν0+νi)，其中νi是物質分子振動的頻率．1930年，美國光譜學家伍德(R.W. Wood)對頻率變低的散射光取名為斯托克斯光，頻率變高的散射光為反斯托克斯光．

拉曼效應的發(fā)現(xiàn)有著極大的意義與價值．根據(jù)拉曼效應原理制造的拉曼光譜儀等實驗儀器，可用于純定性分析、高度定量分析和測定分子結構．它開辟了分子結構研究的一個全新領域，是人類探秘分子內部世界的重要突破．拉曼效應還為光量子理論提供了重要支持．1923年康普頓效應的發(fā)現(xiàn)有力地證實了光量子假說，隨后拉曼效應的發(fā)現(xiàn)為這一假說提供了新的證據(jù)．因此，這一發(fā)現(xiàn)被英國皇家學會稱贊為“20年代實驗物理學中最卓越的三四個發(fā)現(xiàn)之一”．

5 結束語

讓拉曼從海水的顏色之謎踏上諾貝爾獎之路的是他在自然面前始終保持著一顆好奇心，他曾說：“科學只有在有內在沖動時才能開花結果，它無法在外部壓力下蓬勃發(fā)展．”怎樣喚起孩子的好奇心并能長久保持對事物的興趣、主動樂于探究，是家庭教育、學校教育和社會教育都應重視和思考的問題．