Теория светорассеяния Рэлея

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 - рассеяный свет, однако интенсивность рассеяного света в различных направлениях различна. Рассеяный свет имеет такую же длину волны, как и падающий свет, т.е. при светорассеянии длина волны не изменяется.

Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеяного света (J_p) с интенсивностью падающего света (J₀) для коллоидного раствора, в котором частицы:

- имеют сферическую форму радиуса “r”;

- не проводят электрический ток (т.е. являются неметаллическими);

- не поглощают свет (т.е. бесцветные);

- сам раствор является разбавленным в такой степени, чтобы расстояние между частицами в нем было больше, чем длина волны падающего света.

Уравнение Рэлея:

где

здесь n - частичная концентрация (концентрация частиц);

V - объем одной частицы;

l - длина волны света;

J₀ - интенсивность падающего света;

J_р - интенсивность рассеяного света;

n₁ - показатель преломления частицы;

n₀ - показатель преломления среды.

Уравнение показывает, что J_р = f(J₀, n, V, l, n₁ и n₀). Рассмотрим зависимость J_p от этих величин.

1. J_p тем больше, чем больше разница в показателях преломления частицы и среды: n₁ - n₀. Причем, светорассеяние может отсутствовать и в неоднородной среде, если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы.

2. J_p прямо пропорциональна n. Это позволяет пользоваться измерениями светорассеяния для определения концентрации золя с частицами постоянного размера. В нашем лабораторном практикуме мы будем использовать этот метод для определения концентрации канифоли в коллоидном растворе.

3. J_p пропорциональна радиусу кубу радиуса частицы.

Однако эта зависимость сохраняется только в области, где выполняется неравенство: 2p r² / l < 0,3.

4.Зависимость J_р от l.

Интенсивность J_р обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это означает, что при прохождении пучка белого света преимущественно рассеиваться должны наиболее короткие волны - синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный коллоидный раствор в рассеяном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете - красноватую.

Зависимость J от l⁴ имеет и практическое значение, например в сигнализации. Красный цвет выбран сигналом опасности именно потому, что он виден в туманную погоду на большие расстояния, чем любой другой вследствие малого рассеяния. Малое рассеяние инфракрасных и коротких радиоволн используется для локации. Зеленые растения планеты поглощают именно красные лучи солнечного света, потому что они менее всего рассеиваются атмосферой Земли

Рэлеевское светорассеяние характерно для неэлектропроводных, оптически однородных и прозрачных частиц («белые золи»). В соответствии с уравнением Рэлея, интенсивность рассеянного света при прочих равных условиях зависит от размеров частиц и их численной концентрации:

,

где k ₁ – коэффициент пропорциональности, означает, что другие члены уравнения неизменны.

При умножении числителя и знаменателя уравнения на r (плотность материала частиц дисперсной фазы) произведение v _ч V _р соответствует массе дисперсной фазы в единице объема, т.е. массовой концентрации v _м Þ интенсивность рассеянного света пропорциональна при постоянной массовой концентрации размеру частиц дисперсной фазы в третьей степени. Из уравнения Рэлея: .

Интенсивность рассеянного света зависит от показателей преломления фазы (n ₁) и среды (n ₂): .

Если n ₁ = n ₂, рассеяния не происходит, в однородных средах светорассеяния не наблюдается.

Свет рассеивается во всех направлениях (свет – векторная величина). Но его интенсивность неодинакова по направлениям, и может быть представлена в виде векторной диаграммы Ми.

Рассеянный свет обычно поляризован. Причина поляризации – поперечная анизотропия (неоднородность) световых лучей. На рис.2 – рассеянный свет не поляризован в направлении падающего луча и полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной падающему световому лучу. В это направлении образуется седловина. Максимальная интенсивность поляризованного света достигается на краях седловины, прямые 4, когда угол между падающим и рассеянным светом j» 55⁰. Если падающий свет не поляризован, то интенсивность рассеянного света (отношение J_p/J ₀ пропорционально величине 1+ cos²j. При j = 0 рассеяние максимально, при j = 90⁰ оно отсутствует (I_p ^p/2).

При значительной концентрации частиц, когда расстояние между частицами меньше длины волны падающего света, уравнение Рэлея теряет смысл.

Различие опалесценции и флуоресценции: оба явления связаны со свечением растворов. При опалесценции свечение вызвано рассеянием света коллоидным раствором. Флуоресценция характерна только для истинных растворов и связана с поглощением света одной длины волны и излучением света другой длины волны; в результате чего в отраженном свете раствор приобретает окраску. При опалесценции в отличие от флуоресценции рассеянный свет частично поляризован.

На явлении светорассеяния основаны следующие методы изучения коллоидных систем:

Ультрамикроскопия: при наблюдении в микроскоп коллоидные частицы видны на темном фоне как световые точки, находящиеся в броуновском движении. Этот метод исследования коллоидных систем позволяет определить средний размер частиц и получить представление об их форме.

Нефелометрия: определяя интенсивность светорассеяния данной коллоидной системой, можно определять размер частиц и (или) концентрацию дисперсной фазы, а также изучать явления коагуляции.

Дата добавления: 2014-01-05