Când lumina trece printr-un solid, lichid sau gaz, o parte din lumină va fi împrăștiată, călătorind în direcții care diferă de cea a luminii care intră. Cea mai mare parte a luminii împrăștiate își va păstra frecvența inițială – aceasta este cunoscută sub numele de împrăștiere elastică, împrăștierea Rayleigh fiind un exemplu. O mică proporție a luminii împrăștiate va avea o frecvență mai mică decât cea a luminii care intră și o proporție încă mai mică va avea o frecvență mai mare – aceasta este cunoscută sub numele de împrăștiere inelastică. Raman scattering este o formă de împrăștiere inelastică și poartă numele lui Chandrasekkara Venkata Raman, care a primit un premiu Nobel pentru munca sa pe acest subiect în 1930.
Deși împrăștierea poate fi considerată ca lumina care se reflectă pur și simplu în particulele mici, realitatea este mai complexă. Când radiația electromagnetică, din care lumina este un tip, interacționează cu o moleculă, poate distorsiona forma norului de electroni al moleculei; măsura în care se întâmplă acest lucru este cunoscută ca polarizabilitatea moleculei și depinde de structura moleculei și de natura legăturilor dintre atomii ei. În urma interacțiunii cu un foton de lumină, forma norului de electroni poate oscila la o frecvență legată de cea a fotonului de intrare. Această oscilație determină, la rândul său, molecula să emită un nou foton la aceeași frecvență, rezultând o împrăștiere elastică sau Rayleigh. Măsura în care apar împrăștierea Rayleigh și Raman depinde de polarizabilitatea moleculei.
Moleculele pot, de asemenea, să vibreze, lungimile legăturilor dintre atomi crescând sau scăzând periodic cu 10%. Dacă o moleculă se află în starea sa de vibrație cea mai joasă, uneori un foton de intrare o va împinge într-o stare de vibrație mai înaltă, pierzând energie în proces și rezultând ca fotonul emis să aibă mai puțină energie și, prin urmare, o frecvență mai mică. Mai rar, molecula ar putea fi deja peste starea sa de vibrație cea mai joasă, caz în care fotonul care intră ar putea face ca acesta să revină la o stare inferioară, câștigând energie care este emisă ca un foton cu o frecvență mai mare.
Această emisie de fotoni cu frecvență mai mică și mai mare este forma de împrăștiere inelastică cunoscută sub numele de împrăștiere Raman. Dacă se analizează spectrul luminii împrăștiate, aceasta va afișa o linie la frecvența de intrare datorită împrăștierii Rayleigh, cu linii mai mici la frecvențe mai mici și linii încă mai mici la frecvențe mai mari. Aceste linii de frecvență inferioară și mai mare, cunoscute sub numele de linii Stokes și, respectiv, anti-Stokes, apar la aceleași intervale de la linia Rayleigh și modelul general este caracteristic împrăștierii Raman.
Deoarece intervalele de frecvență la care apar liniile Stokes și anti-Stokes depind de tipurile de molecule cu care interacționează lumina, împrăștierea Raman poate fi utilizată pentru a determina compoziția unei mostre de material, de exemplu, mineralele prezente într-o bucată. de stâncă. Această tehnică este cunoscută sub numele de spectroscopie Raman și, în mod normal, folosește un laser monocromatic ca sursă de lumină. Anumite molecule vor produce fiecare un model unic de linii Stokes și anti-Stokes, permițând identificarea acestora.