Оптические свойства дисперсных систем

М.Фарадей (1857 г.), пропуская луч света через полученные им водные золи золота, наблюдал светящийся конус рассеянного света. В истинных растворах конус не наблюдался, что указывало на отсутствие рассеяния света.

Подробно это явление в различных коллоидных системах изучил и описал Дж. Тиндаль (1869 г.) При боковом освещении пучком светящихся лучей кюветы с дисперсией на темном фоне (конус рассеянного света) в зоне прохождения световых лучей наблюдается свечение с синеватым оттенком (конус Тиндаля). Это явление было названо эффектом Фарадея-Тиндаля. Впоследствии такое свечение стали называть опалесценцией.

Эффект Тиндаля наблюдается для многих дисперсных систем. Мутность дымов и туманов обусловлена рассеянием света. Рассеянием солнечного света атмосферой и морской водой объясняется голубой цвет неба и моря. Бесцветный золь в проходящем свете кажется прозрачным, а в боковом свете – мутным, оставляет в нем светлую полосу.

Интенсивность рассеянного света в разных направлениях различна и зависит в основном от размера частиц дф, на которые попадает световой луч. Если частицы весьма малы по сравнению с длиной волны, то больше всего света рассеивается под углами 0 и 180^о к лучу, падающему на частицу. Если частицы сравнительно велики, но все же меньше длины световой волны, то максимальное количество света рассеивается в направлении падающего луча.

Теория светорассеяния была развита английским физиком Дж. Релеем (1871 г.). При прохождении световой волны переменное во времени электромагнитное поле вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи с переменными электромагнитными моментами являются источниками излучения света. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями, вследствие интерференции распространяется только в первоначальном направлении. Если же в среде имеются неоднородности с другими показателями преломления, например, коллоидные частицы, то диполи излучают нескомпенсированное излучение во всех направлениях – рассеянный свет.

Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна. Однако длина волны рассеянного света такая же, как и падающего.

Релей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света I с интенсивностью падающего света I₀, справедливое при условии, что:

- частицы имеют сферическую форму;

- частицы не проводят электрический ток (являются неметаллическими);

- частицы не поглощают свет (бесцветные);

- коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше длины волны падающего света.

Уравнение Релея:

,

где V – объем одной частицы; ν – частичная концентрация; l - длина волны; п₁ – показатель преломления частицы; п₀ – показатель преломления среды.

Интенсивность светорассеяния зависит от целого ряда факторов и количественно выражается формулой, выведенной Релеем. Для угла рассеяния Q формула Релея имеет вид:

,

где I₀, I_Q - интенсивность падающего и рассеянного под углом Q света, Вт/м²; ν - частичная концентрация дисперсной системы, м^-3 (число частиц в 1 м³; V– объем частицы, м³; К – коэффициент Релея; L – расстояние от рассеивающего объекта до точки наблюдения, м.

Коэффициент Релея – величина, зависящая от соотношения показателей преломления дисперсной фазы п₁ и дисперсионной среды п₀:

.

Мутность среды t характеризуется отношением

t = I_Q / I₀ .

Объем частицы V = 4π / 3r³, где r – средний радиус частицы, м. В зависимости от соотношения между средним диаметром = 2 r частиц дф и длиной волны l света, проходящего через дисперсную систему, мутность системы меняется.

Уравнение Релея определяет зависимость интенсивности рассеянного света I_Q от различных параметров.

1. Интенсивность рассеянного света I_Q пропорциональна интенсивности падающего света I_0.

2. Величина I_Q резко возрастает с увеличением разности в показателях преломления (п₁ – п₀). Светорассеяние золей велико, т.к. для этих систем разница в показателях преломления дф и дс велика.

3. Для частиц данного объема v интенсивность светорассеяния пропорциональна частичной концентрации. Такую закономерность можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы.

4. Величина I_Q пропорциональна квадрату объема частиц v² и может быть использована для определения размеров частиц, однако линейный характер этой зависимости сохраняется лишь в области малых размеров частиц.

Типичная зависимость интенсивности рассеяния среды от размера частиц дисперсной фазы имеет максимум. Т.о., существует такой размер частиц d_max, при котором рассеяние наибольшее. Причем, размер частиц и их распределение по размерам определяют изменение оттенка и цвета золя в результате различного рассеяния разных длин волн падающего света. При увеличении частиц до размеров, сопоставимых или превышающих длину световой волны, светорассеяние переходит в отражение света, и интенсивность рассеяния уменьшается.

5. Интенсивность светорассеяния обратно пропорциональна l⁴. Это означает, что при прохождении белого света преимущественно должны рассеиваться наиболее короткие волны синей и фиолетовой части спектра.

Длина волны видимого света находится в пределах 0,4 мкм < l < 0,8 мкм. Если >> l, то происходит, главным образом, отражение, преломление и поглощение света. Вследствие этого грубодисперсные системы с размером частиц > 1 мкм обнаруживают мутность как в проходящем свете, так и при освещении сбоку. Мутность среды ~ 1.

Для коллоидно-дисперсных систем размер порядка l проходящего света. В этом случае преобладает дифракционное рассеяние света, когда каждая коллоидная частица становится вторичным источником света. Визуально наблюдают опадесценцию. Для этого явления характерно то, что окраска золей в рассеянном свете (при рассмотрении сбоку) и в проходящем свете неодинакова.

Уравнение Релея справедливо только для систем с дисперсными частицами сферической формы. Его экспериментальная проверка показала, что уравнение применимо для золей, размеры частиц дисперсной фазы которых составляют приблизительно 0,1 длины волны падающего света, и не применимо к жидким дисперсиям металлов, окраска которых сильно зависит от поглощения света.

Также уравнение Релея выведено для неокрашенных золей, т.е. не поглощающих свет. Однако многие коллоидные растворы имеют определенную окраску, т.е. поглощают свет в соответствующей области спектра – золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра (435 – 480 нм), золь оказывается желтым, при поглощении сине-зеленой части (490 – 500 нм) он принимает красную окраску.

Если лучи видимого спектра проходят через прозрачное тело или отражаются от непрозрачного, то прозрачное тело окажется бесцветным, а непрозрачное – белым. Если тело поглощает излучение всего видимого спектра, оно окажется черным.

Оптические свойства коллоидных растворов, способных к поглощению света, можно охарактеризовать по изменению интенсивности света при прохождении через систему. Для этого используют закон Бугера-Ламберта-Бера:

,

где I₀ – интенсивность падающего света, I – интенсивность прошедшего через золь света; k – коэффициент поглощения; l – толщина слоя золя; с – концентрация золя.

Прологарифмировав получим:

ln(I₀/I) = A = - klc ,

где А – оптическая плотность раствора.

Золи металлов очень сильно поглощают свет, что обусловлено генерацией в частицах дисперсной фазы электрического тока, большая часть энергии которого превращается в теплоту.

При изменении размеров частиц изменяется длина волны поглощаемого света. Так, высокодисперсные золи золота (r = 20 нм), поглощающие преимущественно зеленую часть спектра, имеют интенсивно красную окраску; при увеличении размеров частиц до 50 нм окраска золей становится синей.

С увеличением дисперсности золей металлов изменяется также интенсивность их окраски, она максимальна при средних размерах частиц и ослабевает как при увеличении, так и при уменьшении дисперсности. Так, наибольшая интенсивность окраски гидрозоля золота имеет место при размерах частиц от 20 до 37 нм.

Дата добавления: 2014-04-28; просмотров: 1385; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!