Рассеяние света в дисперсных системах

Если рассматривать высокодисперсные системы (золи) в проходящем свете, то они кажутся прозрачными и ничем не отличаются от истинных растворов. Однако при наблюдении сбоку в этих же растворах наблюдается свечение, которое называют опалесценцией (боковым свечением). При наблюдении сбоку в растворе золе виден яркий светящийся конус (конус Тиндаля).

Причина эффекта Тиндаля: дисперсная система содержит мелкие взвешенные частицы дисперсной фазы, показатель преломления которых отличается от показателя преломления дисперсионной среды. При попадании на них пучка света эти частицы становятся центрами рассеяния света и образуемые ими вторичные волны усиливают друг друга и порождают рассеянный свет.

Светорассеяние (опалесценция) наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Светорассеяние является уникальным специфическим свойством высокодисперсных (коллоидных) систем (конус Тиндаля в истинных растворах не наблюдается).

Количественные закономерности рассеянного света для сферических частиц, не проводящих электрический, ток были выведены Релеем:

, (7.1)

где и – интенсивности падающего и рассеянного света; V – объем частицы; λ – длина волны падающего света; – частичная концентрация (число частиц в 1 м³ золя); n₁ и n₀ – показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.

В уравнение (7.1) входит частичная концентрация дисперсной фазы , которая определяется числом частиц в единице объема. Частичная концентрация связана с массовой концентрацией дисперсной фазы соотношением:

, (7.2)

где С – массовая концентрация (масса частиц дисперсной фазы в 1 м³ золя); V – объем частицы; – частичная концентрация (число частиц в 1 м³ золя); – плотность дисперсной фазы.

С учетом (7.2), уравнение Релея принимает вид:

. (7.3)

Уравнение Рэлея применимо для систем, частицы дисперсной фазы которых составляют не более 0,1 длины световой волны (т.е. для частиц не больше 40–70 нм) и находящихся друг от друга на достаточно больших расстояниях (разбавленные системы). Длины волн падающего света: 400 нм (синий) – 780 нм (красный).

Уравнение Релея показывает:

1. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна числу частиц (концентрации золя): . Это позволяет определить концентрацию дисперсной фазы по величине светорассеяния.

2. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна объему частиц (зависит от размеров частиц): ; . Это позволяет определить размер частиц дисперсной фазы.

3. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны падающего света: . Следовательно, чем короче длина волны падающего света, тем больше рассеяние.

Таким образом, если на частицу будет падать белый свет, то наибольшее рассеяние будет испытывать синяя и фиолетовая части спектра, обладающие наименьшей длиной волны. Поэтому при боковом свечении дисперсные системы будут иметь голубоватую окраску, а в проходящем свете – красноватую, что связано с потерей в результате рассеяния синей и фиолетовой части спектра. Часть солнечных лучей, проходя через земную атмосферу, рассеивается, поэтому атмосфера Земли имеет голубоватую окраску. При восходе и закате Солнца поток лучей проходит насквозь, поэтому цвет неба становится красно-оранжевым.

Для светомаскировки применяют синие лампы (когда хотят чтобы они остались незамеченными с самолетов, т.к. синие лучи при прохождении через толстый слой воздуха, особенно если в нем содержаться частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются), т.к. синий цвет больше всего рассеивается. Для сигнализации применяют красный свет (он плохо рассеивается в тумане).

4. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды . Чем больше разность между показателями преломления, тем больше рассеяние света. Поэтому рассеяние металлическими золями оказывается сильнее, чем неметаллическими из-за их большой плотности и большой величины показателя преломления дисперсной фазы , и дисперсионной среды , следовательно, разности ( ). Если , то интенсивность рассеяния равна нулю = 0, т.е. в однородных средах светорассеяние не наблюдается.

Из уравнений (7.1) и (7.3) следует, что для одного и того же золя при прочих равных условиях будут выполняться соотношения:

; ; ; . (7.4)

Рассеяние света используют для исследования дисперсных систем. К таким методам исследования относятся: ультрамикроскопия, турбидиметрия и нефелометрия.

Рассеяние света происходит во всех направлениях, но интенсивность его в разных направлениях различна. Максимальная интенсивность рассеянного света наблюдается в направлении, перпендикулярном падающему свету .

Рассеянный свет чаще всего поляризован и яркость светорассеяния будет зависеть от поляризации, которая максимальна в перпендикулярном направлении (под углом 90° к падающему свету).

Рассеяние света используют для исследования дисперсных систем. К таким метолам исследования относятся: ультрамикроскопия, турбидиметрия и нефелометрия.

 

Пример 7.1. Длина волны красного света равна 760 нм, а длина волны синего света равна 430 нм. В каком случае интенсивность рассеянного света будет больше и во сколько раз?

Решение:

.

Интенсивность рассеяния в случае синего света будет больше в 10 раз.

 

Пример 7.2. Сравните интенсивности рассеяния света золями с радиусом частиц 15 и 75 нм. В каком случае и насколько интенсивность рассеяния света будет больше?

Решение:

.

При увеличении размеров частиц с 15 до 75 нм интенсивность светорассеяния увеличилась в 125 раза.

 

Пример 7.3. Сравните интенсивности светорассеяния эмульсий гексана (n₁ = 1,375) в воде (n₀ = 1,33) и фенола (n₁ = 1,54) в воде при 318 К. Размер частиц и концентрации эмульсий одинаковы.

Решение:

Согласно уравнению Релея (6.3):

.

1. В случае эмульсии гексана:

.

2. В случае эмульсии фенола:

.

3. Отношение интенсивностей светорассеяния:

Таким образом, в случае эмульсии фенола с большим показателем преломления интенсивность светорассеяния будет больше в 19 раз, чем в случае эмульсии гексана.