Явление рассеивания света

Оптические свойства дисперсных систем

Дисперсные системы обладают фазовой и оптической неоднородностью.

Специфика оптических свойств объектов коллоидной химии определяется их гетерогенностью и дисперсностью. Наличие межфазной поверхности обуславливает изменение направление света.

При падении луча света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

1. прохождение света через систему,

2. преломление света частицами дисперсной фазы,

3. отражение света частицами дисперсной фазы,

4. рассеяние света, которое проявляется в виде опалесценции,

5. абсорбция (поглощение) света дисперсной фазы с превращением световой энергии в тепловую.

Для коллоидных систем наиболее характерно рассеяние (дифракция) и абсорбция света. С помощью оптических методов в коллоидной химии исследуют:

1. межфазные поверхности слоев

2. дисперсность системы

3. форму и строение отдельных частиц

4. пористость

5. толщину слоев.

Явление рассеивания света коллоидными системами наблюдались еще Фарадеем (1857), исследовавшим золи золота, а позднее Тиндалем (1868) описаны.

В проходящем свете золи не отличаются от истинных растворов и ведут себя как прозрачные тела. Тиндаль установил, что светорассеяние удобно наблюдать на темном фоне при пропускании пучка сбоку. При этом образуется светящий конус (конус Тиндаля). Это явление называют эффектом Тиндаля. Этот эффект объясняется непрерывным возникновением и исчезновением ассоциатов. В совершенно однородной среде свет не рассеивается. Если на пути распространения плоской волны появляется неоднородность, то каждая точка неоднородности, имеющая другой показатель преломления, становится самостоятельным.

Если размер неоднородности значительно больше длин волны, то наблюдается в основном отражение по соответствующим законам. При длине волны света больше размера неоднородности, колебание рассеивается по всем направлениям. Рассеивание возможно в том случае, когда расстояние между неоднородностями превышает длину волны света.

Теория светорассеяния для сферических непоглощающих света частиц была развита Рэлеем.

В дисперсной системе в качестве неоднородности выступает частица дисперсной фазы.

Диаграмма Ми, иллюстрирующая рассеивание света малой (а) и крупной (б) частицами.

Под действием колеблющегося электрического поля волн падающего света в рассеивающей частице электроны начинают совершать колебания и сами излучать свет во всех направлениях с частотой, равной частоте падающего света. Индуцированный диполь (Р) равен произведению поляризуемости частицы на напряженность электрического поля Е, которая и определяет интенсивность рассеянного света.

(8.1)

Е – отражает энергию падающего светового потока

Р ~ ², V² или r⁶

Поляризуемость зависит от показателя преломления дисперсной фазы n ₁ дисперсной среды n₀ и пропорциональна объему частицы . С ростом размера частиц рассеяние света сильно увеличивается.

Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна ⁴, т.е. лучи с меньшей длиной волны рассеиваются сильнее. Р пропорциональна частоте колебаний диполя в 4 степени.

Если падающий свет не поляризовался, то интенсивность рассеяния света в направлении, составляющем угол с направлением распространения излучения, пропорциональна величине (1+сos² θ); θ - угол рассеяния.

Зависимость интенсивности рассеяния света от угла рассеяния естественного света представлена на рисунке в виде векторных диаграмм, предложенных ученым Ми. Рассеянный свет является частично поляризованным. Внутренняя незаштрихованная часть представляет собой не поляризованную часть расс. света. Как видно из диаграммы расс. свет не поляризован в направлении падающего луча и полностью поляризован в направлении, перпендикулярном к нему.

Рэлеем было предложено уравнение, связывающее интенсивность падающего света J₀ с интенсивностью света, рассеянного единицей объема J_p:

(8.2)

θ – угол рассеяния

ν – частичная концентрация дисперсной системы (число частиц в единице объема)

R – расстояние от частицы, на котором определятся J_p

V – объем частицы

Уравнение справедливо для сфер частиц, размер которых значительно меньше λ (не более 0,1 λ)

F- функция от показателя преломления

(8.3)

Если n ₁ = n ₀ - рассеяние отсутствует

Закон Релея не выполняется для дисперсных частиц крупных молекул и поглощающих свет. Рассеянный свет от мелких частиц имеет голубой оттенок, а от систем с крупными частицами – белый. Этим объясняется голубой цвет неба. Рассеяние света наблюдается в однородных системах, обусловленных флюктуациями молекул. С увеличением размера частиц закон Релея перестаёт выполняться (размер»l) и зависимость J_p от λ становится менее резкой. С увеличением r изменяется и закономерности рассеяния и поляризации света (рис. б). Степень поляризации определяется размерами и формой частиц. Интенсивность Р перестает быть симметричной по направлениям лучей.

К основным методам исследования, использующим рассеивание света, принадлежит ультрамикроскопия, турибидиметрия и нефелометрия.

Дата добавления: 2014-01-11