Рассеяние света. Уравнение Рэлея

Светорассеяние происходит вследствие дифракции света на неоднородностях среды или вблизи частиц, размеры которых меньше половины длины световой волны. Причиной его является взаимодействие электромагнитной волны с электрическим и гравитационным полем малой частицы. В частице под действием переменного вектора электрической напряжённости световой волны возникает избыточный по равнению с дисперсионной средой дипольный момент. Осциллирующий нескомпенсированный диполь и является причиной отклонения волны. В результате волна огибает частицу, изменяет свое направление, но её длина остаётся прежней в отличие от люминесценции, при которой длина волны, как правило, изменяется. Наиболее интенсивное светорассеяние наблюдается в тех случаях, когда поперечник частиц не превышает 0,1 длины волны света. Направление движения световых волн после такого отклонения может быть самым различным, то есть свет рассеивается во всех возможных направлениях. Однако в зависимости от соотношения длины волны и размеров коллоидных частиц возможны какие=то преимущественные направления. Чаще всего это преимущественное отклонение происходит под острым углом к первоначальному направлению падающего на систему луча, но возможно отклонение и под прямым и даже под тупым углом, т. е. назад. В результате коллоидные растворы при рассматривании в боковом свете производят впечатление светящихся. Причём интенсивность такого свечения различна в зависимости от угла, под которым производится наблюдение. Кроме того, рассеянный свет часто бывает в той или иной степени поляризован.

Характерное проявление светорассеяния - эффект Фарадея - Тиндаля,впервые замеченный М. Фарадеем (1857) и подробно описанный
Дж. Тиндалем (1868). Заключается этот эффект в том, что при прохождении светового луча сквозь коллоидную систему (например, разбавленный латекс, табачный дым, лиозоли) он становится видимым. Если луч расходящийся, то он представляется в виде светящегося конуса на темном фоне («конус Тиндаля»), если не расходящийся, - то в виде прямого светового жгута. В лабораторных условиях эффект Фарадея - Тиндаля может быть наглядно продемонстрирован на таком опыте. Следует приготовить раствор сульфата меди в очищенной от механических примесей дистиллированной воде и коллоидный раствор берлинской лазури. Разбавлением одного из этих растворов можно добиться того, что оба они будут иметь одинаковую синюю окраску. Затем следует направить на стаканы с этими растворами узкий яркий луч света таким образом, чтобы он сначала прошёл сквозь раствор сульфата меди, а затем – сквозь золь берлинской лазури. При рассматривании сбоку или сверху луч в стакане с золем берлинской лазури проявится в виде ярко-голубого светового жгута, а стакане с раствором сульфата меди не будет виден (или, из-за присутствия небольшого числа мелких пылинок, которые не удалось удалить, будет слегка заметен).

Проявлением эффекта Фарадея - Тиндаля является возможность видеть сбоку длинные лучи света от Солнца, пробивающиеся сквозь просветы в облаках. Ночью хорошо видны даже издалека лучи прожекторов, ночных маяков, фар автомобилей и железнодорожных локомотивов и т. д. Возможность их видеть обусловлена рассеянием света на имеющихся в воздухе коллоидных и пылевых частицах, а также капелек тумана. Светорассеяние очень ярко проявляется при попадании света на минерал опал. Это голубоватое свечение известно с глубокой древности и называется опалесценцией. Впоследствии этот термин был распространён на проявления светорассеяния и во всех других коллоидных системах.

В чистом виде голубая опалесценция наблюдается только в коллоидных системах с бесцветными частицами и средой. Если же частицы, а тем более среда, сами по себе имеют окраску, цвет опалесценции может измениться. Так, например, гидрозоль иодида серебра с желтоватыми частицами проявляет зелёную опалесценцию. В интенсивно окрашенных коллоидных растворах она может маскироваться, что приводит к затруднению в её наблюдении. При этом иногда опалесценцию можно обнаружить в виде как бы металлического налёта на стенках пробирки, наблюдаемого при рассматривании сбоку от падающего света.

Для коллоидных растворов с частицами из окрашенных веществ может наблюдаться усиление интенсивности окраски. Так, голубая берлинская лазурь в виде коллоидных частиц придаёт гидрозолю тёмно-синий цвет, а коричневато-жёлтый гидроксид железа – цвет крепкого чая или коньяка. Кроме того, если вещество, из которого состоят частицы, проводит электрический ток, цвет коллоидного раствора может совершенно не совпадать с его цветом в виде компактного вещества. Например, гидрозоль серебра имеет жёлто-коричневый цвет, гидрозоль золота – кроваво-красный, а гидрозоль чёрного диоксида марганца – вишнёво-красный.

Теория светорассеяниябыла разработана главным образом в трудах Дж. У. Рэлея (кон. XIX в.). Наиболее простым случаем является рассеяние света при выполнении следующих условий:

1. Рассеивающие частицы имеют размеры значительно меньше длины волны падающего света и их форма близка к сферической.

2. Частицы не поглощают света, оптически изотропные, не окрашены.

3. Частицы не обладают электрической проводимостью.

4. Частичная концентрация мала; расстояние между частицами велико по сравнению с длиной волны падающего света.

5. Объём дисперсной системы мал, так что можно не учитывать вторичное рассеяние уже рассеянного света.

Исходя из этих положений и ограничений, Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность I _p света (рассеянного под углом 90^о к на­прав­ле­нию падающего на систему луча) с интенсивностью падающего на систему света I _o и различными параметрами системы:

где n - частичная концентрация золя (число частиц в единице объёма); V - объём отдельной частицы дисперсной фазы; l - длина волны света; n ₀ и n - коэффициенты преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно.

В таком виде уравнение позволяет рассчитать интенсивность рассеянного света в непосредственной близости от кюветы с исследуемым золем. По мере удаления от кюветы I _p убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Степень при длине волны с увеличением размеров частиц обычно уменьшается, и когда они приближаются к длине волны падающего света, может достигнуть нуля, что говорит о смене светорассеяния отражением.

Из анализа уравнения Рэлея следует, что:

1. Если коэффициенты преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы, рассеяние будет отсутствовать и в дисперсных системах, подобно тому, как оно отсутствует в гомогенных системах.

2. Так как интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длины волны в четвёртой степени, то лучше всего рассеиваются коротковолновые (фиолетовые, синие) лучи, тогда как длинноволновые (красные, оранжевые, жёлтые) лучи наименее подвержены рассеянию. Это обусловливает неравномерную окраску света, рассеянного в различных направлениях одной и той же системой. Но, в общем, коллоидные растворы с бесцветными частицами при рассматривании в боковом свете представляются светящимися голубым или слегка зеленоватым светом. Если же смотреть на источник света непосредственно сквозь них, то в глаз наблюдателя попадают плохо рассеивающиеся лучи и коллоидные растворы выглядят красноватыми, коричневатыми, оранжевыми и т. п.

3. Поскольку I _p зависит от частичной концентрации золя, то, измеряя интенсивность светорассеяния, можно определять концентрацию золей (при условии, что у них одинаков средний радиус частиц). На этом основан такой оптический метод анализа, как нефелометрия.

4. Так как I _p зависит от квадрата объёма частиц дисперсной фазы, то по интенсивности светорассеяния можно рассчитать размеры его частиц, если известна концентрация золя.

Рассеяние света наблюдается и в однородных средах - газах и жидкостях - благодаря флуктуациям плотности. Флуктуации плотности – это кратковременные скопления молекул в небольшом локальном объёме, происходящие из-за случайного попадания их в этот объём в результате теплового движения. Эти флуктуации существуют очень короткое время, порядка миллионных долей секунды или даже ещё меньше, после чего распадаются и сменяются нормальным распределением частиц или даже разрежением. Но в каждый момент времени по всему объёму газа или жидкости присутствует очень большое и притом стабильное количество флуктуаций. При прохождении вблизи них световых волн они играют роль коллоидных частиц и вызывают устойчивое светорассеяние. Такое «молекулярное» рассеяние проявляется очень слабо и составляет обычно 10^-6 - 10^-7 доли от интенсивности падающего света. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба, а также дистиллированной воды в толстых слоях. Доказательством того, что голубой цвет неба вызван именно опалесценцией, а не какими-либо другими причинами, служит то, что после захода Солнца он исчезает и атмосфера становится прозрачной и пригодной для астрономических наблюдений. Рассеянные коротковолновые лучи «отсекаются» от света, прямо идущего от Солнца, поэтому наблюдатель видит солнечный свет обогащённым длинноволновыми компонентами, что в итоге создаёт интенсивный золотой цвет.

Всегда присутствующие в атмосфере в той или иной степени аэрозольные частицы – мельчайшие пылинки, частицы дыма и тумана и т. п. вносят свой вклад в светорассеяние. Например, световые эффекты утренней и вечерней зари объясняются именно этим эффектом. Из-за светорассеяния заходящее Солнце вблизи горизонта кажется красным, так как при этом нам видны те его лучи, которые не рассеялись, а прошли сквозь загрязнённый воздух не отклонёнными – красные и оранжевые. В особенности ярко красный цвет Солнца на закате и красная (багровая) вечерняя заря наблюдаются тогда, когда сильный ветер поднимает в воздух большие массы пыли. Это явление вызвало к жизни известную народную примету. Аналогичный эффект наблюдается при рассматривании издалека электрических фонарей. Чем дальше расстояние от них, тем в большей степени они кажутся жёлтыми, оранжевыми или красноватыми.

Поведение света в атмосфере лежит в основе световой сигнализации. Так, запрещающий сигнал светофора и стоп-сигнал автомобилей, мотоциклов и т. д. делается красным, чтобы его можно было видеть с максимально возможного расстояния, поскольку красный свет меньше всего рассеивается даже в густом тумане или в пыльном воздухе. Автобусы, трамваи и другие быстро движущиеся средства транспорта рекомендуется окрашивать в красный и жёлтый цвета, чтобы они были более заметны на больших настояниях. Противотуманные фары делаются жёлтого цвета, так как он, как и красный и оранжевый, рассеивается в малой степени. И наоборот, при необходимости непрерывного освещения даже в условиях светомаскировки применяется синий свет, что можно наблюдать на примере светофоров на маневровых путях железнодорожных станций.

Оптические свойства, связанные со светорассеянием и другими световыми эффектами, наблюдаются и в твёрдых коллоидных системах. Так, они придают многим минералам свойства, делающие их драгоценными камнями. Например, чистый, не содержащий примесей кварц – бесцветный горный хрусталь. Тот же кварц, содержащий ничтожно малые количества примесей различных веществ, может приобретать фиолетовый цвет и, таким образом, становится драгоценным аметистом, розовым кварцем или жёлтым цитрином. Аналогичным образом невзрачный корунд примесями преображается в рубин или сапфир и т. д. Есть сведения, что у птиц в организме отсутствует синий пигмент и что синяя окраска перьев, например, в крыльях соек, вызывается исключительно оптическими эффектами.

Явление светорассеяния лежит в основе таких оптических методов исследования и анализа, как ультрамикроскопия и нефелометрия.

При освещении суспензий и эмульсий, в особенности полидисперсных, одновременно c рассеянием света может иметь место и его отражение и преломление. Внешне это проявляется в виде мутности,которая определяется как отношение I _p / I ₀, где под I _р, подразумевается сумма интенсивности рассеянного и отраженного света. Оптический метод анализа, связанный с измерением мутности, называется т урбидиметрией.

Дата добавления: 2013-12-12