賈良慧

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210000)

周海忠

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210000)

2020年是亞洲首位諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)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(yīng)”獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．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(xué)領(lǐng)域的專家將研究重心轉(zhuǎn)移到光學(xué)上，經(jīng)過(guò)7年探索發(fā)現(xiàn)了“拉曼效應(yīng)”．通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)圖書、論文等資料，發(fā)現(xiàn)拉曼與海水的顏色故事在我國(guó)眾說(shuō)紛紜，且書籍間記載的拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程與事實(shí)存在較大出入．因此，真實(shí)了解這一偉大發(fā)現(xiàn)背后的探索歷程，感受拉曼對(duì)自然的強(qiáng)烈興趣和好奇，對(duì)科學(xué)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(guó)殖民統(tǒng)治下印度南部的一個(gè)婆羅門教家庭．父親是一位大學(xué)數(shù)學(xué)和物理講師，還是一名小提琴手和書籍收藏家，自幼對(duì)他進(jìn)行科學(xué)啟蒙教育．14歲，拉曼考入馬德拉斯的總統(tǒng)學(xué)院，開啟大學(xué)生涯，畢業(yè)后因身體原因未能出國(guó)深造，留校攻讀碩士學(xué)位．1907年，拉曼由于各種原因未能進(jìn)入學(xué)術(shù)界，而是在政府部門工作．同年，加入印度科學(xué)培育協(xié)會(huì)，利用業(yè)余時(shí)間在協(xié)會(huì)的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行科學(xué)研究．直到1917年，拉曼辭去政府工作，任加爾各答大學(xué)物理學(xué)副教授．1921年，拉曼受邀參加英帝國(guó)大學(xué)會(huì)議，途中他看到美麗的地中海，對(duì)海水顏色的成因產(chǎn)生了興趣和好奇心，回國(guó)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(yīng)”．1930年，因研究光的散射和發(fā)現(xiàn)“拉曼效應(yīng)”獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．1933年，任班加羅爾印度科學(xué)研究所主任，兼任物理學(xué)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(xué)術(shù)上取得了巨大成就，還對(duì)國(guó)家的科學(xué)復(fù)興和科學(xué)教育事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)．他組織和建立了印度科學(xué)院、拉曼研究所等科研機(jī)構(gòu)，通過(guò)創(chuàng)辦《印度物理學(xué)雜志》《當(dāng)代科學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊，提高民眾的科學(xué)意識(shí)，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(xué)者．

2 海水的顏色之謎

1921年拉曼參加在牛津舉行的英帝國(guó)大學(xué)會(huì)議，返程途中被地中海美麗的藍(lán)色乳光所吸引．海水為什么是深藍(lán)色？這個(gè)問(wèn)題縈繞在拉曼腦海中．此前，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主瑞利勛爵(Lord Rayleigh，1842—1919)曾解釋過(guò)藍(lán)色天空的形成原因，認(rèn)為這是大氣分子對(duì)太陽(yáng)光中的藍(lán)光散射造成的，并猜測(cè)大海呈現(xiàn)藍(lán)色是由于海面對(duì)天空顏色的反射．拉曼的直覺使他對(duì)瑞利提出的海水藍(lán)色成因產(chǎn)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(lán)光后，大海的顏色竟比天空的顏色藍(lán)得多[1]！

這種現(xiàn)象并非是海面對(duì)天空顏色的反射引起的，而可能是由于水分子對(duì)陽(yáng)光的散射．為了檢驗(yàn)這一猜測(cè)，拉曼于9月返回加爾各答后，立即開始了對(duì)這個(gè)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(rèn)識(shí)到這個(gè)課題的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他最初的設(shè)想，為他的研究打開了廣闊的領(lǐng)域．

3 小設(shè)備 大發(fā)現(xiàn)

受海水顏色的吸引，拉曼開始對(duì)光的散射進(jìn)行研究．1922至1928年拉曼團(tuán)隊(duì)在各種壓力和溫度范圍內(nèi)進(jìn)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(gè)新的、完全出乎意料的現(xiàn)象：光散射中顏色會(huì)發(fā)生改變．1923年拉曼手下的研究學(xué)者之一拉瑪南辛首次觀察到陽(yáng)光經(jīng)紫色濾光片穿過(guò)某些液體或固體(例如水或冰)時(shí)，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(rèn)為這是樣品中的一些雜質(zhì)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(xué)提純并反復(fù)緩慢蒸餾以后，這種成分的強(qiáng)度仍不減弱．這說(shuō)明“弱熒光”的產(chǎn)生并非由雜質(zhì)導(dǎo)致，而是與散射物質(zhì)的特有性質(zhì)有關(guān)．

1925年拉曼手下的另一位研究學(xué)者克里希南在研究經(jīng)過(guò)凈化的60種液體光的散射時(shí)，也觀察到了相同的現(xiàn)象：光通過(guò)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(fèi)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(tuán)隊(duì)的兼職研究員溫克德斯瓦蘭拍攝了陽(yáng)光經(jīng)過(guò)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(jié)果．1926至1927年間，克里希南在研究散射的消偏振時(shí)曾在氣體和蒸氣中仔細(xì)尋找過(guò)這類現(xiàn)象的存在，但沒有成功．

1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了拉曼尋求光的類似效應(yīng)，在推導(dǎo)出康普頓散射公式后，拉曼意識(shí)到“弱熒光”可能是波長(zhǎng)變化的非相干散射，與康普頓效應(yīng)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(duì)液體中的異常散射展開更深入的實(shí)驗(yàn)研究．他讓溫克德斯瓦蘭和克里希南對(duì)液體進(jìn)行凈化，重復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

令人興奮的好消息終于傳來(lái)，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(yáng)光顏色不是通常的藍(lán)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(qiáng)度更高，因此更容易研究，這給了他們解決問(wèn)題的新動(dòng)力．

拉曼和他的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)偏振的．這些事實(shí)表明，這種現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)特性和康普頓效應(yīng)之間有明顯的相似性，康普頓的研究使人們知道了散射過(guò)程中X射線的波長(zhǎng)可能會(huì)變長(zhǎng)，而用甘油所做的實(shí)驗(yàn)使拉曼了解到，從1923年以來(lái)一直使他迷感不解的現(xiàn)象實(shí)際上是與康普頓效應(yīng)相類似的現(xiàn)象，這個(gè)認(rèn)識(shí)促使他們開始用純甘油以外的物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

在研究這種新現(xiàn)象時(shí)，讓拉曼團(tuán)隊(duì)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(yáng)光先后經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡物鏡(孔徑18 cm，焦距230 cm)和透鏡(焦距5 cm)，連續(xù)會(huì)聚形成強(qiáng)光源[3]．實(shí)驗(yàn)中在入射光的路徑上放置藍(lán)紫色濾光片，在透鏡的焦點(diǎn)處放置散射樣品．為檢測(cè)“弱熒光”的存在，采用了互補(bǔ)濾光片．將黃綠色濾光片(顏色與藍(lán)紫色濾光片互補(bǔ))放置在藍(lán)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(zhuǎn)移到樣品與觀察者的眼睛之間時(shí)，“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(zhuǎn)換為綠光的明顯證據(jù)．通過(guò)這種方式對(duì)近80種不同的芳香族、脂肪族和無(wú)機(jī)液體進(jìn)行檢測(cè)，都能觀察到波長(zhǎng)改變了的散射光，而且在很多情況下，它們都是強(qiáng)偏振的．事實(shí)證明：這是一種新的輻射，并不是熒光，拉曼團(tuán)隊(duì)將這種效應(yīng)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(duì)蒸氣中是否存在該現(xiàn)象進(jìn)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(lái)確定輻射的偏振狀態(tài)．在CO2和N2O氣體、冰晶和光學(xué)玻璃中，同樣發(fā)現(xiàn)有波長(zhǎng)改變了的輻射，證實(shí)了這種現(xiàn)象是與康普頓效應(yīng)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(zhǎng)對(duì)這一現(xiàn)象的影響．他們將藍(lán)紫色濾光片和一塊鈾玻璃組合，形成波長(zhǎng)范圍較窄的入射光，用各種有機(jī)液體作為散射物質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)散射光光譜中波長(zhǎng)改變了的新輻射和普通輻射被一道暗區(qū)隔開，這鼓勵(lì)他們改用單色光源進(jìn)行觀測(cè)．拉曼團(tuán)隊(duì)用一個(gè)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(yīng)”的發(fā)現(xiàn)就完成了[1]．用于這一發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備總成本不超過(guò)500盧比(約7美元)！

圖2 拉曼和發(fā)現(xiàn)“拉曼效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)儀器

4 拉曼效應(yīng)

“拉曼效應(yīng)”也稱拉曼散射，是指一束單色光入射到物質(zhì)上，入射光的光子與物質(zhì)的分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生能量交換，導(dǎo)致入射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象．它的具體機(jī)理是：當(dāng)入射光照射到某種物質(zhì)上時(shí)，一部分光被吸收，其余的光因物質(zhì)分布不均勻偏離原來(lái)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(gè)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(zhì)分子在入射光子的碰撞下，發(fā)生能級(jí)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(zhì)分子初態(tài)和終態(tài)的能量．當(dāng)物質(zhì)分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)時(shí)，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(dāng)物質(zhì)分子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，輻射出的散射光子頻率增加(ν=ν0+νi)，其中νi是物質(zhì)分子振動(dòng)的頻率．1930年，美國(guó)光譜學(xué)家伍德(R.W. Wood)對(duì)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(yīng)的發(fā)現(xiàn)有著極大的意義與價(jià)值．根據(jù)拉曼效應(yīng)原理制造的拉曼光譜儀等實(shí)驗(yàn)儀器，可用于純定性分析、高度定量分析和測(cè)定分子結(jié)構(gòu)．它開辟了分子結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)全新領(lǐng)域，是人類探秘分子內(nèi)部世界的重要突破．拉曼效應(yīng)還為光量子理論提供了重要支持．1923年康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)有力地證實(shí)了光量子假說(shuō)，隨后拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為這一假說(shuō)提供了新的證據(jù)．因此，這一發(fā)現(xiàn)被英國(guó)皇家學(xué)會(huì)稱贊為“20年代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中最卓越的三四個(gè)發(fā)現(xiàn)之一”．

5 結(jié)束語(yǔ)

讓拉曼從海水的顏色之謎踏上諾貝爾獎(jiǎng)之路的是他在自然面前始終保持著一顆好奇心，他曾說(shuō)：“科學(xué)只有在有內(nèi)在沖動(dòng)時(shí)才能開花結(jié)果，它無(wú)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(zhǎng)久保持對(duì)事物的興趣、主動(dòng)樂于探究，是家庭教育、學(xué)校教育和社會(huì)教育都應(yīng)重視和思考的問(wèn)題．