Este documento presenta información sobre la espectroscopia Raman. Explica brevemente la historia del descubrimiento del efecto Raman y cómo ganó el Premio Nobel. Luego describe el principio físico y matemático detrás de la espectroscopia Raman, incluido cómo interactúa la luz con las moléculas y los cambios en la energía de los fotones. Finalmente, menciona algunas aplicaciones comunes como la caracterización de materiales y la detección de gases.

1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
TÓPICOS DE NUEVOS MATERIALES CATALÍTICOS
ING. DAVID MACIAS FERRER, L.P.,M.E.
G86070090
Presenta:
ESPECTROSCOPIA RAMAN

2. HISTORIA
A pesar de la dispersión inelástica de la luz fue predicha por
Adolf Smekal (1895-1959) en 1923, no es sino hasta 1928 que se
observó en la práctica. Fue el científico hindú Sir Chandrasekhara
Venkata Rāman (1888–1970) quien observó el efecto por medio de la
luz del sol.

3. HISTORIA
Raman ganó el Premio Nobel de Física en 1930 por este
descubrimiento, utilizando la luz solar, un filtro de banda estrecha
fotográfica para crear una luz monocromática, y un "filtro cruzado"
para bloquear la luz monocromática. Encontró que una pequeña
cantidad de luz había cambiado de frecuencia y que pasaba a través de
filtro "cruzado".

4. ESPECTROSCOPIA RAMAN
Es una técnica espectroscópica para observar los modos
rotacional, vibracional, y otros de baja frecuencia en un sistema. Se
basa en la dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luz
monocromática, por lo general de un láser en el espectro visible,
infrarrojo cercano, o cerca de rango ultravioleta. Un rayo láser
interactúa con las vibraciones moleculares, fonones o otras
excitaciones en el sistema, dando lugar a que la energía de los fotones
láser se desplace hacia arriba o hacia abajo. El cambio en la energía da
información sobre los modos de vibración en el sistema.
Típicamente, una muestra se ilumina con un haz de láser. La
luz procedente del punto iluminado se recolecta con una lente y es
enviada a través de un monocromador. Las longitudes de onda
cercanas a la línea de láser debido a la dispersión de Rayleigh elástico
se filtran mientras que el resto de la luz recolectada se dispersa sobre
un detector.

5. Charge-Coupled Device

6. El efecto Raman ocurre cuando la luz incide sobre una
molécula e interactúa con la nube de electrones y los lazos de esa
molécula. Para el efecto Raman espontáneo, que es una forma de
dispersión de la luz, un fotón excita la molécula desde el estado
fundamental a un estado de energía virtual. Cuando la molécula se
relaja emite un fotón y lo devuelve a un estado diferente de rotación o
de vibración. La diferencia en energía entre el estado original y este
nuevo estado conduce a un cambio en la frecuencia del fotón emitido
lejos de la longitud de onda de excitación. El efecto Raman, que es un
fenómeno de dispersión de luz, no debe confundirse con la absorción
(como con fluorescencia) cuando la molécula se excita a un nivel
discreto de energía (no virtual).
Si el estado final de vibración de la molécula es más
energético que el estado inicial, entonces el fotón emitido será
desplazado a una frecuencia más baja a fin de que la energía total del
sistema permanezca equilibrada. Este cambio de frecuencia se designa
como desplazamiento de Stokes. Si el estado vibratorio final es menos
energético que el estado inicial, entonces el fotón emitido será
desplazado a una frecuencia más alta, y esto se designa como un
cambio de anti-Stokes.

7. Un cambio en el potencial de polarización molecular - o la
cantidad de deformación de la nube electrónica - con respecto a la
coordenada vibracional se requiere para que una molécula exhiba un
efecto Raman. La cantidad del cambio de polarizabilidad determinará
la intensidad de la dispersión Raman. El patrón de frecuencias
desplazadas está determinado por los estados rotacionales y
vibracionales de la muestra.

8. FUNDAMENTO FÍSICO-MATEMÁTICO
Cuando la luz incide sobre una molécula, el campo eléctrico
oscilante de la radiación incidente provoca una oscilación de la densidad
electrónica en la molécula, efecto que viene representado por la
aparición de un momento dipolar eléctrico oscilante inducido que
actúa, a su vez, como fuente de radiación, originando las dispersiones
(scattering) Rayleigh y Raman. Esta dispersión está dirigida en todas las
direcciones, excepto en la de la propia dirección del dipolo. La máxima
intensidad de la dispersión, Imax , se da a un ángulo de 90° con respecto
al eje del dipolo. Para cualquier otra dirección se cumple que:
I Imax sen 2

9. El dipolo eléctrico oscilante inducido por la radiación incidente
oscilará, por un lado, con la frecuencia de oscilación del campo eléctrico
de dicha radiación y, también, con las frecuencias de vibración de la
molécula. La magnitud del momento dipolar eléctrico oscilante inducido
viene dado (despreciando las hiperpolarizabilidades) por:
μ E
en donde α es la polarizabilidad de la molécula, cuya característica
matemática es la de ser un tensor real y simétrico. La no consideración de
las hiperpolarizabilidades es válida cuando se emplean campos eléctricos
no muy intensos. Las diferentes componentes de son:
x xx xy xz Ex
y yx yy yz Ey
z zx zy zz Ez
donde las ij son las componentes del tensor polarizabilidad.

10. La polarizabilidad molecular es función de las coordenadas
normales de vibración, Qk, por lo que podemos expresarla mediante un
desarrollo de Taylor con respecto a estas coordenadas:
α 1 α2
α α0 Qk Q k Ql ζ
k
Qk 0
2 k,l
Q k Ql
0
donde las ij son las componentes del tensor polarizabilidad. en donde el
subíndice (0) hace referencia a la configuración de equilibrio. Si nos
quedamos solo con los términos de orden uno (armonicidad eléctrica), la
anterior ecuación resulta igual a:
α
α α0 Qk α0 α 'Qk
k
Qk 0 k
Si suponemos, además, un movimiento armónico simple (armonicidad
mecánica)
Qk Qk0 cos 2 k t

11. donde Qk0 es la amplitud de la coordenada normal y considerando que el
campo eléctrico oscila con la frecuencia de la radiación incidente
ν0, obtendremos finalmente:
μ α 0 E0 cos 2 0 t α 'E 0Qk0 cos 2 0 t cos 2 k t
k
Teniendo en cuenta la relación trigonométrica:
2cos 0 cos k cos 0 k cos 0 k
resulta:
1
μ α 0 E 0 cos 2 0t E0 α 'Q k 0 cos 2 t 0 k cos 2 t 0 k
2 k
La oscilación con frecuencia ν0 origina la dispersión Rayleigh; las
oscilaciones con frecuencias ( 0 k) y ( 0 + k) originan las dispersiones
Raman (Stokes y anti-Stokes, respectivamente).

17. APLICACIONES
La espectroscopia Raman se utiliza comúnmente en química, ya
que la información vibracional es específica de los enlaces químicos y la
simetría de las moléculas. Por lo tanto, proporciona una “huella digital”
para la molécula identificada. Por ejemplo, las frecuencias vibratorias de
SiO, Si2O2 y Si3O3 fueron identificados y asignados sobre la base de los
análisis de coordenadas normales usando espectros infrarrojo y Raman.
Analizadores de gas de Raman tienen muchas aplicaciones
prácticas. Por ejemplo, se utilizan en medicina para la supervisión en
tiempo real de un anestésico y mezclas de gases respiratorios durante la
cirugía.
En física del estado sólido, la espectroscopía Raman
espontánea se utiliza para, entre otras cosas, caracterizar los
materiales, calcular la temperatura medida, y encontrar la orientación
cristalográfica de una muestra.

19. MATERIALES DE CARBONO
GRAFENO

20. MATERIALES DE CARBONO
GRAFITO

21. MATERIALES DE CARBONO
VULCAN XC-72

22. MATERIALES DE CARBONO
DIAMANTE

23. MATERIALES DE CARBONO
FULERENO C60

24. MATERIALES DE CARBONO
NANOTUBOS DE CARBONO
(PARED SIMPLE)

25. MATERIALES DE CARBONO
NANOTUBOS DE CARBONO
(PARED MÚLTIPLE)

26. MATERIALES DE CARBONO
NANOFIBRAS

27. MATERIALES DE CARBONO
NANORODS