Явление рассеяния света

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ

Изучение оптики коллоидных систем находит применение при вождении самолётов в тумане, фотографировании с помощью ИК-лучей, имеет практическое приложение в астрофизике, метеорологии (космическая пыль) и т.д.

При попадании луча света на дисперсную систему можно наблюдать:

- прохождение луча через систему (хаактерно для неокрашенных систем);

- преломление и отражение света частицами дисперсной фазы, выражается в мутности суспензий, эмульсий, дымов, которое наблюдается в проходящем (т.е. прямом) свете и в отражённом (т.е. боковом) свете. При этом коэффициент преломления – суть мера плотности среды - отношение плотности среды к плотности в вакууме;

- рассеяние света в результате дифракции – это явление проявляется в виде опалесценции;

- абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением энергии световой в тепловую.

Взаимодействие света с веществом зависит от соотношения длины волны света и размера частиц, на которые падает световой поток:

- если размеры объекта больше длины волны света, то это взаимодействие происходит по законам оптики – прохождение, преломление и отражение света;

- если размеры частицы меньше ½ длины волны света, то происходит рассеяние света, т.е. случай когда длина волны 300-760нм, размер частиц равен 1-100 нм.

В 1857г. М. Фарадей и в 1869 г. Дж. Тиндаль наблюдали одно и тоже явление - образование конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор. Когда большая длина волны встречается с маленькой частицей, то происходит дифракция (светорассеяние) – эффект или конус Тиндаля.

Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции - матовое свечение (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещение золей.

Следует различать дифракцию света частицами, не проводящими и проводящими электрический ток.

Рассеяние света обусловлено изменениями плотности и концентрации, из-за непрерывного возникновения и исчезновения ассоциатов. В совершенно однородной среде свет не должен рассеиваться.

В соответствие с принципом Гюйгенса каждую точку среды, до которой дошел свет, можно рассматривать как новый источник колебания. Вторичные колебания усиливают друг друга в направлении распространения волны и гасят их в других направлениях.

Английский физик Дж. Рэлей в 1871 году создал теорию опалесценции для сферических, непоглощающих свет частиц, по размерам не больше 0,1 длины волны. Под влиянием электромагнитного поля волны падающего света электроны в рассеивающей частице начинают совершать вынужденные колебания, в результате которых происходит излучение света во всех направлениях.

Если частица мала в сравнении с длиной волны света, то все колебания можно рассматривать как колебания одного электрического наведённого диполя. Он излучает колебания с частотой волны, равной частоте волны падающего света (т.е. частота рассеянного света совпадает с частотой падающего).

Поскольку индуцированный (наведённый) диполь равен произведению напряжённости поля на поляризуемость частицы α:

Р=αЕ,

где α-поляризуемость частицы, Е- напряженность, то интенсивность рассеянного света определяется α и Е.

1. Поляризуемость в свою очередь зависит от соотношения между показателями преломления дисперсной фазы n₁ и дисперсионной среды n₂ и пропорциональна объёму частицы, отсюда следует, что интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату поляризуемости (α²) и значит зависит от квадрата объема (V²) частицы (4/3 πr³)² и радиусу в шестой степени (r⁶). Таким образом, с ростом размера частицы рассеивание сильно увеличивается.

2.Напряженность (Е) отражает энергию падающего света и равна плотности потока энергии. Напряжённость пропорциональна квадрату амплитуды волны (А²), излучаемой электрическим диполем. Амплитуда пропорциональна квадрату частоты колебаний диполя. Отсюда интенсивность рассеянного света пропорциональна частоте колебаний диполя в 4^ой степени и обратно пропорциональна длине волны (λ) в 4^ой степени. Таким образом, лучи с меньшей длиной волны сильнее рассеивают свет.

При рассеянии белого света дисперсной системой с мелкими частицами рассеянный свет оказывается голубым, а проходящий – красноватым. Этими же явлениями объясняется голубой цвет неба и красноватый цвет заката.

Согласно теории Рэлея частицы в дисперсионной среде находятся далеко друг от друга, что можно пренебречь вторичным рассеянием.

- уравнение Рэлея,

где I - общее количество световой энергии, рассеянной единицей объема;

ν- число частиц в единице объема;

V – объем частицы;

λ - длина волны падающего света;

А - амплитуда колебаний излучения;

n₁ и n₂ - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды соответственно.

Или уравнение Рэлея может иметь вид:

_,

где с - массовая концентрация дисперсной фазы;

ρ - плотность золя;

I_p -интенсивность рассеянного света;

I₀ – интенсивность падающего света.

Из уравнения Рэлея следует, что интенсивность рассеивания увеличивается с ростом объема частиц и с ростом концентрации. Чем выше интенсивность падающего света, тем выше интенсивность рассеиваемого света. Лучше рассеивается коротковолновая составляющая видимого света.

Если падающий свет не поляризован, то интенсивность рассеянного света пропорциональна (1+cos²θ), где θ - угол света с направлением потока падающего света.

Зависимость интенсивности рассеянного света I_p от угла рассеяния θ для естественного света изложена в теории Ми и представлена векторными диаграммами. Ми разработал более полную теорию с формулами для дисперсных систем всех степеней дисперсности и больших размеров (более 0,1λ). Он учёл, что при больших размерах наряду с электрическими полями возникают и магнитные, что осложняет картину рассеивания света. Максимальное рассеивание, по теории Ми, наблюдается в диапазоне размеров частиц от 1/4 до 1/3 λ. Данная теория подходит для систем не отвечающих закону Рэлея. По теории Ми, рассеянный свет всегда частично поляризован, даже если падающий свет не является таковым. При отклонении рассеянного света на 90° он является полностью поляризованным.

Уравнение Релея с учетом того, что рассеянный свет является поляризованным, выглядит следующим образом:

,

где - функция от показателей преломления.

Уравнение Релея не выполняется с частицами, поглощающими свет. С ростом размеров частицы изменяются и закономерности поляризации света.

В частице, проводящей электричество (сферические частицы), в которой возникает электромагнитное поле. Вследствие преобразования электрической энергии в тепловую – выделение джоулевого тепла, электромагнитные волны поглощаются.

Опалесценция внешне сходна с флуоресценцией, которая характерна для истинных растворов некоторых красителей (флуоресцина, эозина и др.) При наблюдении раствора таких красителей в отраженном свете он имеет иную окраску, чем в проходящем. Здесь можно наблюдать эффект Тиндаля.

Различия между явлениями опалесценции и флуоресценции:

опалесценция		флуоресценция
- длина волны рассеянного света такая же как и падающего;		- внутримолекулярное явление, которое заключается в селективном поглощении света и трансформации его в луч с большей длиной волны;
- опалесценцию возбуждает любой свет, родоначальник – опал.		- обусловлена светом определённой волны, характерной для данного флуоресцирующего вещества.

Дата добавления: 2014-01-05