Оптические свойства коллоидных систем. Светорассеяние. Эффект Тиндаля. Ультрамикроскопические и нефелометрические исследования

Дисперсные системы неоднородны по фазовому составу, поэтому обладают и оптической неоднородностью.

На оптические свойства в большой степени влияют структура, размер и форма частиц.

Прохождение света через дисперсную систему сопровождается такими явлениями, как преломление, поглощение, отражение и рассеяние.

Преобладание какого-то из этих явлений зависит от соотношения между длиной волны падающего света и размером взвешенных частиц.

В грубодисперсных системах размер частиц превышает длину волны видимой части спектра. Это способствует отражению света от поверхности частиц.

В высокодисперсных золях частицы соизмеримы с длиной волны видимого света, в результате чего преобладает светорассеяние.

Рассеяние света свойственно любой среде.

Но интенсивное светорассеяние происходит когда луч света проходит через дисперсную систему, частицы которой имеют размеры меньше длины волны падающего света и удалены друг от друга на расстояния, значительно превосходящие длину волны.

При этом световой луч, встречая на своем пути частицу, как бы огибает ее и несколько изменяет свое направление.

Явление светорассеяния особенно присуще коллоидно-дисперсным, или ультрамикрогетерогенным, с размером частиц 1-100 нм.

В коллоидных растворах светорассеяние проявляется в виде опалесценции — матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении золя на темном фоне.

При этом, если тот же золь рассматривать в прямом проходящем свете, он может иметь красновато-желтую окраску.

Причиной опалесценции является рассеяние света вследствие его дифракции в микронеоднородной среде коллоидного раствора.

С опалесценцией связано специфичное для коллоидных систем явление — конус Тиндаля (эффект Тиндаля).

Рассеянный свет распространяется неравномерно в разных направлениях — вдоль направления луча проходит больше света, чем под углом 90°. При этом происходит частичная поляризация рассеянных колебаний.

Теория светорассеяния была разработана Д. Рэлеем (1871).

Уравнение Рэлея для интенсивности рассеянного света имеет вид:

где I0 — интенсивность падающего света;

n и n 0 — показатели преломления соответственно дисперсной фазы и дисперсионной среды;

ν — число частиц в единице объема (частичная концентрация);

V — объем одной частицы;

λ — длина волны падающего света.

Из уравнения Рэлея следует ряд выводов.

- при равенстве показателей преломления среды и частиц в гетерогенной системе может отсутствовать рассеяние света.

- наиболее интенсивно происходит рассеяние света малых длин волн

В видимой части спектра меньшую длину волны имеют голубые лучи - они больше подвержены рассеянию, чем желто-красные.

Этим объясняются оранжево-красноватая окраска многих бесцветных золей и минералов в прямом проходящем свете (красные лучи слабо рассеиваются) и голубоватая — при наблюдении сбоку.

С этими явлениями связаны голубой цвет неба и красные цвета восходов и закатов; красный цвет светофора виден издалека и в тумане.

Интенсивность рассеянного света измеряют методами нефелометрии и турбидиметрии.

На использовании явления светорассеяния основан метод ультрамикроскопии.

Оптические методы являются наиболее распространенными методами изучения состава и структуры дисперсных систем.

С их помощью можно определить дисперсность системы, форму и строение частиц дисперсной фазы, пористость, толщину и состав адсорбционных слоев и пленок и т. д.

Оптическая микроскопия имеет предел разрешения 0,5·10-6 м (500 нм)

Принцип метода ультрамикроскопии состоит в том, что, используя обычный оптический микроскоп, изменяют способ освещения объекта. Вместо проходящего света применяют боковое освещение мощным пучком света.

При таких условиях частицы дисперсной фазы кажутся светящимися точками на темном фоне, которые видны, даже если диаметр частиц много меньше разрешающей силы микроскопа, то есть до 2-3 нм.

Электронная микроскопия является одним из наиболее совершенных методов определения размера и формы коллоидных частиц. Электронный микроскоп позволяет увидеть отдельные коллоидные частицы, крупные макромолекулы и их структуру.

Разрешающая способность электронных микроскопов очень велика и составляет теоретически 0,143 нм, практически можно достигнуть 0,2 нм.

Поиск по сайту: