Чем обусловлено светорассеяние в дисперсных системах и истинных растворах

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 м 3 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 м 3 золя); V – объем частицы; – частичная концентрация (число частиц в 1 м 3 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?

.

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?

.

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.

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.

Источник

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:

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

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

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 4pr 3 /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 2 J₀(ρ/ρ) = к₁ν_м(4πr 3 /3ρ)J₀.

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

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.

Источник

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены их гетерогенностью и дисперсностью. На оптические свойства влияют структура, размер и форма частиц дисперсной системы. Прохождение света через дисперсную систему сопровождается следующими явлениями: преломлением, поглощением, отражением и рассеянием. Преобладание какого-либо из этих явлений зависит в основном от соотношения длины волны света и размера частиц дисперсной фазы.

В грубодисперсных системах размер частиц больше длины волны видимого света, поэтому световые лучи, проходящие через грубодисперсную систему, отражаются и преломляются на границе частиц со средой, обусловливая их мутность.

В истинных растворах светорассеяние ничтожно мало, так как размер частиц дисперсной фазы очень мал и нет препятствий для прохождения лучей.

Наиболее характерным оптическим свойством коллоидных систем является опалесценция (светорассеяние). Коллоидные частицы меньше длины волны света, поэтому рассеяние света обусловлено не отражением от поверхности частиц, а дифракцией. Рассеяние света было исследовано Тиндалем, который обнаружил, что при освещении коллоидного раствора световым пучком его путь при наблюдении сбоку имеет форму светящегося конуса – конуса Тиндаля.

Рис. 8. Конус Тиндаля

Для интенсивности рассеянного света Релеем была выведена зависимость:

где I_p – интенсивность рассеянного света;

I_о – интенсивность падающего света;

n₁ и n₂ – показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;

V – объем одной частицы;

λ – длина световой волны.

Из уравнения видно, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Если падающий свет полихроматичен, то при боковом освещении золи имеют синеватую окраску, а в проходящем – красную.

На интенсивности рассеяния лучей коротковолновой части спектра основано применение ламп синего цвета для светомаскировки и красного для сигналов опасности. Красный свет виден на большом расстоянии из-за малого светорассеяния. По этой причине противотуманные фары имеют оранжевую окраску.

Источник

Оптические свойства дисперсных систем

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

— преломление света частицами дисперсной фазы;

— поглощение света (абсорбция) дисперсной фазой.

Преобладающий характер наблюдаемых явлений зависит от размеров частиц дисперсной фазы и их соотношения с длиной волны падающего света.

Ограничимся рассмотрением видимой области спектра, длина световой волны которого колеблется от 400 нм (фиолетовый свет) до 700 – 750 нм (красный свет).

Прохождение света характерно для прозрачных систем (истинных растворов, чистых жидкостей). Размер частиц таких систем намного меньше длины волны падающего света, поэтому частицы не создают препятствий для прохождения лучей видимого света.

Преломление и отражение света характерно для систем, содержащих частицы дисперсной фазы, размер которых намного превышает длину волны падающего света. Это средне- и грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии. Проходящие через грубодисперсную систему световые лучи не могут обойти частицу, вследствие чего они беспорядочно преломляются и отражаются на границе раздела частиц и дисперсионной среды. Это обусловливает мутность таких систем, видимую невооруженным глазом.

Поглощение света характерно для окрашенных коллоидных растворов (золей).

Источник

Оптические свойства дисперсных систем

СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ.

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

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться.

Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся “светящейся дорожке” – конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в лесу и в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Пропускание луча света через растворы;

а – истинный раствор хлорида натрия;

б – коллоидный раствор гидроксида железа.

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

· прохождение света частицами дисперсной фазы;

· преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы прозрачны);

· отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны);

· адсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую.

Характер наблюдаемых явлений зависит от размеров частиц дисперсной фазы и их соотношения с длиной волны (λ) падающего света. Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы много меньше длины волны падающего света (r >λ). Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

В случае окрашенных растворов происходит наложение собственной окраски и окраски, вызванной опалесценцией (явление дихроизма света).

Все металлические золи уравнению Рэлея не починяются, так как их частицы сильно поглощают свет. Оптические свойства коллоидных систем используют при изучении размеров, формы, структуры и концентрации коллоидных частиц

. Схематически процесс рассеяния света выглядит так:

Р и с. 1. Иллюстрация эффекта Тиндаля

Сущность процесса светорассеяния состоит в том, что световой луч, встречая на своем пути частицу как бы огибает ее и несколько изменяет свое направление. В коллоидных растворах светорассеяние проявляется в виде опалесценции – матового свечения чаще всего голубоватых оттенков.

Теория светорассеяния была разработана Д. Рэлеем.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник