Рассеяние света

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств дисперсных систем определяются природой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсные системы (интерференция, дифракция, поляризация, преломление и отражение света и др.) определяются законами геометрической оптики.

В коллоидных растворах светорассеивание проявляется в виде опалесценции – матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении бесцветного золя на темном фоне. При этом в прямом проходящем свете тот же золь может иметь красновато-желтую окраску. Опалесценция является следствием рассеяния света в результате его дифракции в микронеоднородной дисперсной системе.

Флуоресценция – свечение некоторых истинных молекулярных растворов некоторых красителей в проходящем свете. Причиной флуоресценции является внутримолекулярное возбуждение, причем окраска прошедшего через раствор света получается другой, отличной от окраски падающего возбуждающего света.

Светорассеивание коллоидных растворов является их характерным свойством, позволяющим отличать их от молекулярных и ионных растворов, поскольку с опалесценцией связано явление, специфичное для коллоидных систем – конус или эффект Тиндаля. Яркий свет от сильного источника направляется на сосуд с раствором. При наблюдении сбоку в случае коллоидного раствора наблюдается равномерное свечение освещенного участка, иногда с небольшим расширением на выходе. При наличии отдельных блесток в пучке можно судить о присутствии грубодисперсных частиц, для которых характерно отражение света.

Способностью к светорасceиванию обладают не только частицы, но и ассоциаты молекул, макромолекулы и включения, нарушающие однородность среды. Рассеяние заключается в преобразовании света веществом, которое сопровождается изменением направления света.

Схематически рассеяние света можно представить следующим образом:

Падающий свет с частотой ν

+

Молекулы высокодисперсных частиц (атомы)

→

Поляризация молекул (атомов) и возникновение диополей с пере- менным моментом

→ ↓

Излучение кванта с частотой ν1

Световая волна вызывает поляризацию молекул, не проводящих и не поглощающих свет частиц; возникающий при этом дипольный момент μ определяется по уравнению

µ = αE,

где α— поляризуемость; Е — напряженность возбужденного электрического поля, образованного падающим светом.

Возникающие диполи колеблются с частотой падающего света и создают вторичное излучение во всех направлениях. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями вследствие интерференции*, распространяется прямолинейно. В неоднородной среде, к которой относятся высокодисперсные системы с различным показателем преломления фазы и среды, интерференция отсутствует, и испускается нескомпенсированное излучение в виде рассеянного света. Если энергия поглощенного кванта света (hν) равна энергии испускаемого кванта (hν₁), то рассеяние будет рэлеевским, или упругим.

Oно реализуется в том случае, когда размеры частиц дисперсной фазы намного меньше длины волны света λ, а именно

а < 0,1 λ

Длина волны видимого света колеблется в пределах 380-760 нм. Поэтому данное условие справедливо для частиц дисперсной фазы, размеры которых не превышает 76 нм, т.е. для высокодисперсных систем.

Рассеяние света высокодисперсными системами при соблюдении условия а<0,1λ называют рэлеевским. Характерной особенностью рэлеевского рассеяния является равенство энергий испускаемого и падающего квантов света (т.е. равенство частот падающего и рассеянного света).

В результате рассеяния интенсивность падающего света J₀изменяется и будет характеризоваться величиной J_p, которая, согласно Рэлею, определяется по формуле

уравнение Релея

где ν_ч— численная концентрация дисперсной фазы; V — объем частиц (для шарообразной частицы он равен 4pr³/3; r — радиус частиц); λ — длина волны падающего света; n₁, n₂— показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Рэлеевское рассеяние света характерно для неэлектропроводных, оптически однородных и прозрачных частиц (белые золи). При этом размер частиц должен соответствовать условию а<0,1λ, частицы иметь изомермическую форму, а расстояние между ними должно превышать длину волны падающего света.

В обычных условиях витающие мелкие частицы в воздухе не видны, но при прохождении солнечного луча в затемненной комнате он становится видимым. Фактически глаз человека воспринимает интенсивность света, рассеянного высокодисперсными частицами.

В соответствии с уравнением Релея интенсивность рассеянного света при прочих равных условиях зависит от размеров частиц и их численной концентрации:

J_p= к₁ν_чV²J₀(ρ/ρ) = к₁ν_м(4πr³/3ρ)J₀.

 

Также интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны падающего света в четвертой степени:

J_p= к₂J₀/λ⁴.

Cвет коротких волн рассеивается сильнее. Красный свет имеет наибольшую в видимой части спектра длину волны (620—760 нм) и рассеивается в меньшей степени. Длина волны фиолетового света 380—450 нм; он рассеивается более интенсивно по сравнению с красным. Интенсивность рассеяния фиолетового света примерно в 16 раз выше интенсивности рассеяния красным, длина волны которого лишь в два раза превышает длину волны фиолетового света.

Интенсивность рассеянного света, согласно уравнению Релея, зависит от показателей преломления вещества дисперсной фазы n₁и дисперсионной среды n₂.

Если показатель преломления вещества, из которого формируется дисперсная фаза, равен показателю преломления дисперсионной среды (n₁= n₂), то рассеяния не происходит. Так, в однородных средах светорассеяние не наблюдается.

Показатель преломления воздуха n₁равен 1,000, воды n₂— 1,333, поэтому капли воды в воздушной среде способны к рассеянию света.

Свет рассеивается во всех направлениях, т.е. является векторной величиною. Однако, его интенсивность в различных направленных неодинакова. Интенсивность рассеянного света в пространстве может быть представлена в виде векторной диаграммы.

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

Рассеяние света дисперсной системой, состоящей из множества частиц, существенно отличается от рассеяния света одиночными частицами. Это отличие обусловлено интерференцией волн, рассеянных отдельными частицами, и падающих волн; многократным рассеянием, которое наблюдается, когда свет, рассеянный одними частицами, повторно рассеивается другими; перемещением частиц.