Поглощение света

По мере увеличения размеров частиц интенсивность рассеянного света перестает возрастать в зависимости от объема V частиц, и рассеяние становится неравномерным.

Рассеяние света крупной частицей отличается от рэлеевского и имеет место тогда, когда размеры частиц лежат в диапазоне

0,1λ< a ≤λ.

Если размер частиц соизмерим с длиной волны, то основной причиной рассеяния света становится дифракция. Дифракция заключается в огибании лучом света частиц дисперсной фазы. С учетом длины волны видимого света можно считать, что диапазон размеров частиц, для которых справедливо условие 0,1λ< a ≤λ, колеблется в пределах 38—760 нм, т.е. он соответствует относительно крупным частицам высокодисперсных и относительно небольшим частицам среднедисперсных систем.

Взаимодействие света с веществом определяется законами геометрической оптики, если размеры частиц больше длины волны

a > λ

Особенности воздействия света на частицы относительно больших размеров обусловлены интерференцией отраженных и преломленных лучей на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. С учетом классификации частиц дисперсной фазы по размерам можно заключить, что условие a > λ выполняется для грубодисперсных и отчасти для cреднедисперсных систем.

Оптические свойства дисперсных систем, способных к поглощению света, можно характеризовать по изменению интенсивности света, прошедшего через эту систему. Если интенсивность падающего света обозначить через J₀, а интенсивность рассеянного света — J_р, то J_прбудет характеризовать интенсивность прошедшего света. Интенсивность прошедшего света в отношении отдельных частиц определяется на основе закона Бугера — Ламберта:

J_пр= J₀е^–ка= J₀– J_пог,

где к — коэффициент поглощения; а — размер частиц дисперсной фазы.

 

Интенсивность прошедшего света можно представить как разности между интенсивностью падающего J₀и поглощенного веществом J_погсвета. Коэффициент поглощения можно рассматривать как величину, обратную расстоянию, на котором интенсивность света снижается в е раз, т.е. до 37% от первоначального значения J₀.

Для оценки соотношения интенсивности прошедшего и падающего света можно воспользоваться уравнением :

Д = lg(J₀/J_пр) = 0,43 кa .

Величину Д называют оптической плотностью или экстинкцией. Экстинкция характеризует ослабление луча света при его распространении в веществе. При рассмотрении отдельных частиц, когда соблюдается условие a > λ, экстинкция вызвана лишь поглощением света.

В отношении дисперсной системы экстинкция может отражать не только поглощение, но и рассеяние света. В этих условиях коэффициент к в уравнениях отражает совокупное действие поглощения и рассеяния света. Иногда рассеянный свет рассматривают как фиктивно поглощенный и определяют суммарно поглощенный свет.

Коэффициент к зависит от массовой концентрации дисперсной фазы ν_ми может быть представлен следующим образом:

к = к₁ν_м,

где к₁— коэффициент пропорциональности, называемый мутностью.

Интенсивность рассеянного света, прошедшего через раствор определенной концентрации или через дисперсную систему, определяется законом Бугеpa — Ламберта — Бера:

,

где а_c— толщина слоя дисперсной системы, вещества или раствора.

Если считать, что для дисперсной системы интенсивность поглощенного света равна интенсивности рассеянного (J_пр= J_пог), то можно записать следующее выражение для экстинкции:

.

При помощи формулы можно определить экстинкцию Д и кoэффициенты к и к₁для дисперсных систем с учетом размеров их частиц и концентрации дисперсной фазы ν_м.

Таким образом, рассеяние света высокодисперсными системами определяется по закону Рэлея, а ослабление света дисперсными системами — по закону Бугера — Ламберта — Бера.

В реальных полидисперсных системах свойства частиц дисперсной фазы могут быть различны (например, часть частиц способна поглощать свет, а другая — рассеивать), поэтому оптические свойства таких систем будут определяться рассеянием, поглощением и отражением света, а также рядом других оптических явлений.