Оптические методы исследования дисперсных систем

Явление светорассеяния лежит в основе оптических методов определения размеров частиц и концентрации дисперсной фазы. К основным методам исследования дисперсных систем, использующими это явление, принадлежит ультрамикроскопия, нефелометрия и турбидиметрия.

Ультрамикроскопия от обычной микроскопии отличается тем, что объект (дисперсная система) освещается сбоку, а наблюдается рассеянный свет. Вследствие этого частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, а разрешая способность микроскопа резко возрастает, что позволяет наблюдать частицы диаметром до 2-3 нм.

Нефелометрия – метод исследования, при котором измеряют интенсивность рассеянного света, падающего на кювету с дисперсной системой. Обычно объемная концентрация С дисперсной фазы известна или легко определяются. Поэтому уравнение Рэлея (29) при данной длине волны λ и = const удобно использовать в виде:

где с = – объемная концентрация дисперсной фазы; k – константа, объединявшая все параметры, принимаемые постоянными при измерении, кроме с, V, λ.

Из этого соотношения следует, что интенсивность света, рассеянного двумя золями с частицами одинаковой формы в одинаковых размеров, относятся между собой как концентрации частиц определяемого вещества. Если же в сравниваемых золях объемные или массовые концентрации равны, то интенсивности рассеянного света (мутности золей) будут относиться следующим образом:

при V = const

при с = const

где - мутность золи.

Таким образом, имея стандартные золи (или градировочные кривые) легко определить размер микрогетерогенных мицелл или концентрации частиц в дисперсной системе (при постоянной данной длине волны).

Следует отметить, что этот метод, как и уравнение Рэлея, применим только для «белых» золей, т.е. для неокрашенных систем (метод базируется только на светорассеянии).

Турбидиметрии основана на измерении интенсивности проходящего через дисперсную систему света. Интенсивность падающего света ослабляется в результате его рассеяния дисперсной системой. Если принять рассеянный свет за фиктивно поглощенный, то можно получить простое соотношение, аналогичное закону Багера – Ламберта – Бера для поглощения света молекулярными растворами. Ослабление интенсивности света dJ пропорционально интенсивности падающего света J, проходящего через слой исследуемой системы толщиной dx:

где - мутность, т.е. коэффициент пропорциональности, характеризующий способность системы рассеивать свет.

В результате интегрирования в пределах J до и соответственно от x =C до I – толщины слоя системы, получим:

или

где - интенсивность света, прошедшего через систему.

При выводе уравнения (36) предполагалось, что изменение интенсивности света происходит только за счет рассеяния. Поэтому уравнение справедливо для системы, которые не поглощают свет (для «белых золе»). Если же золи еще и поглощают свет, то к ее величине необходимо прибавить коэффициент поглощения к:

В соответствии с уравнениями (35 – 36) мутность связана с оптической плотность D соотношением:

Таким образом, мутность выражается отношением интенсивностей рассеянного и падающего света, отнесенными к единице длины образца. В соответствии с уравнением Рэлея это отношение равно:

где k – константа, включающая постоянные параметры в уравнении Рэлея.

Аналогичное уравнение получается для оптической плотности:

При постоянных λ и I уравнение (40) можно записать в виде

где - константа, не зависящая от C и V.

Из формулы(41) следует, что оптические плотности двух сравниваемых золей будут относиться следующим образом:

при V = const

и при c = const

Если дисперсная система содержит частицы, размер которых больше, чем 0,1λ, то как было сказано вше, проявляются отклонения от закона Рэлея. Для описания светорассеяния в таких дисперсных системах можно воспользоваться эмпирическими уравнениями, предложенными Геллером:

где k и - константы, не зависящие от длины волны, размер частиц и их формы;

n – коэффициент, зависящий от размера и формы частиц и не зависящий от длины волны света.

Преимущество турбидиметрического метода исследования состоит в простоте методики измерений. В качестве турбидиметра можно использовать широкое распространенные фотоэлектроколориметры, предназначенные для определения оптической плотности окрашенных молекулярных растворов. В основу действия этих приборов положен принцип уравнивания двух сравниваемых световых потоков, проходящих через кюветы с исследуемым и стандартным золем с помощью переменной щелевой диафрагмы.

Дата добавления: 2014-12-16