Resumo sobre Efeito Raman, Resumos de Física Experimental

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O Espalhamento Raman e Suas Aplicações

Andriele S. Vieira^1

(^1) Graduanda em Física Licenciatura Centro de Ciências Exatas, Naturais e da Saúde (CCENS) Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)

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Resumo. Este artigo trata de uma descrição do Efeito Raman, que tem como princípio os processos envolvendo espalhamento de luz pela matéria. Fez-se também uma explanação sobre a técnica de espectroscopia Raman fundamentada no efeito em questão, bem como suas aplicações nos diversos campos. O estudo revelou-se proveitoso, evidenciando a importância de se conhecer os diversos tópicos da mecânica quântica que estão presentes no cotidiano.

Abstract. This article deals with a description of the Raman Effect, which has as principle the processes involving light scattering by matter. An explanation was also made on the Raman spectroscopy technique based on the effect in question, as well as its applications in the various fields. The study proved to be useful, evidencing the importance of knowing the various topics of quantum mechanics that are present in daily life.

1. O efeito Raman

1.1. Introdução

Quando os fótons são dispersos a partir de um átomo ou molécula, a maioria deles é disperso elasticamente em processo conhecido como espalhamento de Rayleigh, de tal modo que os fótons dispersos têm a mesma energia (frequência e comprimento de onda) que os incidentes. Uma pequena fracção de, aproximadamente, 1 em 10 milhões dos fótons são espalhados por uma excitação de frequência diferente, geralmente, menor que a dos incidentes. O efeito Raman é o espalhamento inelástico de um fóton, ou seja, é dissipativo no sentido que energia inicial incidente é maior do que a espalhada. Em um gás, o efeito Raman pode ocorrer com uma variação na energia de uma molécula, devido a uma transição de estados energéticos característico de cada material/molecula/átomo. Em 1922, o físico indiano C. V. Raman e colaborador publicou seu trabalho sobre o "Difração Molecular da Luz", o primeiro de uma série de investigações que o levou em 28 de Fevereiro 1928 à identificação deste efeito aqui em discussão. O espalhamento inelástico de luz foi prevista por Adolf Smekal em 1923. Já efeito Raman foi primeiramente relatado por Raman e Krishnan, e de forma independente por Grigory Landsberg e Leonid Mandelstam, em 21 de Fevereiro 1928. Os russos sempre contestaram a autoria do fenômeno. Por outro lado, Raman recebeu o Prêmio Nobel em 1930 por seu trabalho sobre a dispersão da luz.

Se a polarização na molécula não faz par com estas polarizações possíveis, então não irá alterar o estado vibracional que a molécula iniciou-se e o de fótons dispersos terão a mesma energia daqueles que os originaram. Este tipo de espalhamento é conhecido como espalhamento Rayleigh. Quando o estado vibracional de retorno é mais energético do que o estado inicial, o fóton espalhados difere em energia do inicial por conta de interações vibracionais e eletrônicas com a molécula.

Figura 1. Niveis de energia dos espalhamentos Rayleigh, Stokes e anti-Stokes. FONTE: ZANIN.

O material absorve a energia e o fóton emitido tem uma energia menor do que o fóton absorvido. Este resultado é rotulado como espalhamento Raman-Stokes. O material perde energia e o fóton emitido tem uma energia maior do que o fóton absorvido. Este resultado é marcado como espalhamento Raman anti-Stokes. A diferença entre a energia do fóton absorvida e emitida corresponde à diferença de energia entre dois estados ressonantes do material e é independente da energia absoluta do fóton. O espectro dos fótons dispersos é denominado o espectro de Raman. Ele mostra a intensidade da luz dispersa em função da sua diferença de frequência f para os fótons incidentes. Os picos de espalhamentos Stokes e anti-Stokes formam um padrão simétrico em torno f = 0, ou seja cada um acontece de um lado sendo o deslocamento Raman igual a zero o centro. Os deslocamentos de frequência são simétricos porque correspondem à diferença de energia entre os mesmos estados ressonantes superiores e inferiores. Embora o anti-Stokes (maior f e menor ) seja mais energético que os Stokes, as intensidades dos picos dependem das populações dos estados iniciais do material, que por sua vez dependem da temperatura. Em equilíbrio termodinâmico, o estado superior será menos povoado do que o estado mais baixo. Por isso, picos de dispersão Stokes são mais fortes do anti-Stokes. A sua proporção depende da temperatura (que pode praticamente ser explorada para a medição de temperatura).

2.0.1. Distinção com fluorescência

O efeito de Raman é diferente do processo de fluorescência. Para este último, a luz incidente é completamente absorvido no sistema e é transferido para um estado animado a partir do qual ele pode ir para vários estados inferiores apenas após um certo tempo de vida

de ressonância. O resultado de ambos os processos é na sua essência o mesmo: um fóton com uma frequência diferente da do fóton incidente é produzido e a molécula é levado a um nível de energia mais alto ou depois mais baixo. Contudo, a principal diferença é que o efeito de Raman pode ter lugar em qualquer frequência de luz incidente. Em contraste com o efeito de fluorescência, o efeito de Raman não é, por conseguinte, um efeito de ressonância. Na prática, isto significa que um pico de fluorescência é ancorado a uma frequência específica, ao passo que um pico Raman mantém uma separação constante a partir da frequência de excitação.

2.1. Aplicações

A Espectroscopia Raman emprega o efeito Raman para a análise de substâncias. O espectro da luz do espalhamento Raman depende das moleculas em análise e do seu estado, permitindo que o espectro sua identificação como uma impressão digital. A espectroscopia de Raman é utilizada para analisar uma vasta gama de materiais, incluindo gases, líquidos e sólidos. Este efeito vem sendo utilizado em várias áreas de interesse tais como: detecção de narcóticos e explosivos em aeroportos, caracterização de artefatos arqueológicos, análise de fluídos corpóreos em investigações forenses e também como ferramenta de pesquisa de vida em Marte.[6] Materiais altamente complexos, tais como organismos biológicos e tecidos humanos também podem ser analisados por espectroscopia Raman.

2.1.1. Em Física

Em física do estado sólido, espectroscopia Raman espontânea é usada para, entre outras coisas, caracterizar materiais, medir temperatura e encontrar a orientação cristalográfica de uma amostra. Tal como acontece com moléculas individuais, um determinado material sólido tem características fônons modos que podem ajudar um experimentador identificá-lo. Além disso, a espectroscopia Raman pode ser utilizado para observar outras excitações de baixa frequência dos sólidos, tais como plasmons, magnons, e excitações no gap (hiato ótico) de supercondutores. A polarização da luz difusa de Raman no que diz respeito ao cristal e a polarização da luz de laser pode ser utilizado para encontrar a orientação de um cristal, se a estrutura do cristal é conhecida. Em nanotecnologia, um microscópio de Raman pode ser utilizado para analisar os nano-fios de compreender melhor a composição das estruturas.

2.1.2. Em Química, Biologia e Medicina

Na química de estado sólido e na indústria bio-farmacêutica, a espectroscopia Raman pode ser usada para identificar não só ingredientes farmacêuticos ativos (API), mas no caso de várias formas polimórficas, isto também pode ser utilizado para identificar a forma polimórfica da API. Em formulações bio-farmacêuticas, deve-se usar não só a molécula correta, mas a forma polimórfica correta, como diferentes formas polimórficas têm diferentes propriedades físicas, por exemplo a solubilidade e o ponto de fusão, os espectros de Raman e espectros infravermelhos podem fazer essa distinção.[4 ][ 5 ] ). [ 6 ] Espectroscopia Raman pode ser utilizada para descobrir fármacos falsificados sem a necessidade de abrir as embalagens. Também é utilizada para investigar a composição