Поглощение (абсорбция) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую

преломление света частицами дисперсной фазы; (если частицы прозрачны)

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

Остановимся подробнее на рассеянии света и поглощении (абсорбции).

На опалесценцию (от лат. слова opalus – опал, минерал молочно-голубоватого или желтовато-белого цвета), обусловленную светорассеянием, обратили внимание Ломоносов и Фарадей, и подробно изучил Тиндаль, наблюдавший образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор.

 

Интерференцией - называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором происходит

усиление или уменьшение результирующей волны.

 

Причина эффекта Тиндаля заключается в следующем, дисперсная система содержит мелкие взвешенные частицы дисперсной фазы, показатель преломления которой отличается от показателя преломления дисперсионной среды.

При попадании на них пучка света эти частицы становятся центрами вторичных волн усиливающих друг друга и порождающих рассеянный свет в стороны.

Является уникальным специфическим свойством коллоидных систем; используется для различения истинного раствора от дисперсной системы.

 

Светорассеяние наблюдается только тогда когда:

1) длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы;

2) если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света.

Отличается светорассеяние частицами 1) не проводящими и 2) проводящими электрический ток.

Рассмотрим первый, более простой случай.

Рассеянный свет имеет особенность – он распространяется во всех направлениях. Интенсивность рассеянного света в разных направлениях различна. Если частицы весьма малы по сравнению с длиной волн, больше всего света рассеивается под углом в 0^о и 180^о к лучу, падающему на частицу.

Если частицы сравнительно велики (но все же меньше длины световой волны), максимальное количество света рассеивается в направлениях падающего луча (вперед).

Кроме того, рассеянный свет обычно поляризован, при этом для малых частиц свет, рассеянный под углом в 0^о и 180^о - не поляризован совсем; свет рассеянный под углом 90^о – поляризован полностью; для крупных частиц максимальная поляризация наблюдается при угле, отличном от 90^о.

Картину рассеяния света удобно представить в виде векторной диаграммы, предложенной Ми.

Для получения такой диаграммы интенсивность неполяризованного и поляризованного света, выраженную в каких-либо единицах, откладывают в виде радиусов - векторов во всех направлениях от точки, изображающей частицу, и концы векторов соединяют непрерывной линией.

Диаграммы Ми, характеризующие рассеяния света:

а) малой частицей б) крупной частицей

 

(стрелкой показано направление падающего на частицы света)

 

Внешние кривые на диаграммах соединяют концы радиусов-векторов, отвечающих общей интенсивности рассеянного света;

внутренние кривые ограничивают отрезки векторов, соответствующие интенсивности неполяризованного света.

Таким образом, внешняя, заштрихованная часть диаграммы представляет собою поляризованную часть рассеянного света, а внутренняя, не заштрихованная – неполяризованную часть света. Приведенные диаграммы относятся к рассеянию света сферическими частицами.

Для сферических частиц, частиц не проводящих электрического тока, малых по сравнению с длиной волны падающего света и частиц находящихся друг от друга на достаточно большом расстоянии (разбавленная система), Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность падающего света I_o c интенсивностью света, рассеянного единицей объема системы, I_р, т.е. количественные закономерности рассеянного света:

где:

I_o и I_p – интенсивность падающего и рассеянного света;

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

υ; – частичная концентрация (число частиц содержащихся в 1см³ колл.системы);

V – объем одной частицы;

λ; – длина световой волны.

В уравнение входит частичная концентрация дисперсной фазы, которая определяется числом частиц в единице объема. Она связана с весовой концентрацией С соотношением: , где ρ – плотность среды, и тогда уравнение Рэлея:

Уравнение Рэлея применимо для частиц размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны, т.е. для частиц не более 40-70нм.

Для частиц большего размера I_p изменяется обратно пропорционально не четвертой, а меньшей степени.

Анализ уравнения Рэлея показывает:

1) интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна числу частиц в объеме весовой концентрации.

2) следует, что величина I_p зависит от размера частиц, т.к. прямо пропорциональна объему частиц (уравнение применимо для частиц размеры которых не превышают 10^-7м)

3) следует, что существует значительная зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны падающего света. I_p≈1/λ⁴. Следовательно, чем короче λ; 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 λ;. Поэтому при боковом освещении дисперсные системы будут иметь голубоватую окраску, а в проходящем – красноватую; уравнением Рэлея объясняется происхождение голубой окраски неба и красно-желтой окраски солнца на горизонте.

4) следует, что интенсивность рассеяния пропорциональна выражению , т.е. величина I_p растет с ростом (n₁ - n_о).

 

Поглощение света и окраска золей.

 

В 1760г. Ламберт, еще раньше Бугер, изучая рассеяние света, установили следующую зависимость между интенсивностью проходящего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел:

(1)

где: I_п – интенсивность прошедшего света

I_o – интенсивность падающего света

k – коэффициент поглощения

l – толщина слоя

Согласно этому закону, если толщина слоя среды растет в арифметической прогрессии, то интенсивность прошедшего света уменьшается в геометрической прогрессии. Т.е. поглощение во всех слоях, на которых можно разделить данную среду, происходит таким образом, что каждый последующий слой поглощает ту же долю проходящего света, что и предыдущий.

Бэр показал, что коэффициент поглощения растворов с абсолютно бесцветными и прозрачным растворителем пропорционален молярной концентрации С растворенного вещества:

Тогда получим закон Бугера-Ламберта-Бэра:

(2)

устанавливающий зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя и концентрации растворенного вещества.

На практике уравнение (1) часто используют в другом виде

Логарифмируя уравнение (2) получим:

или - мутность системы.

левую часть этого уравнения называют оптической плотностью D или экстинкцией – которая характеризует способность системы ослаблять интенсивность проходящего через нее света.

При работе с монохроматическим светом всегда указывают, при какой длине волны была определена оптическая плотность.

Выражение I_п/I_o – называют светопропусканием раствора или относительной прозрачностью раствора.

Левую часть выражения: - принято называть относительным поглощением раствора.

Молярный коэффициент поглощения, являющийся постоянной, характерной для данного вещества величиной, можно легко определить, если с=1и l=1. Тогда

Если ε=0, раствор не абсорбирует света и в соответствии с этим уравнение Б-Л-Б:

 

I_n=I₀

 

т.е. интенсивность прошедшего света будет равна интенсивности падающего.

 

Молярный коэффициент поглощения ε зависит:

- от длины волны абсорбируемого света;

- температуры;

- природы растворенного вещества и растворителя;

- и, как правило не зависит от концентрации раствора.

Но возможны исключения, когда ε – изменяется при разбавлении. Это объясняется изменением химических свойств системы – происходит гидролиз, образование гидратов или ассоциация, т.е. все это влияет на коэффициент поглощения.

 

 

Оптические методы исследования коллоидных растворов.

 

В настоящее время оптические методы являются наиболее распространенными методами определения размера, формы и структуры коллоидных частиц. Это объясняется не только быстротой и у добством этих методов, но и точностью получаемых результатов.

Наиболее часто для исследования коллоидных растворов применяются: