Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем. Лекция 16 презентация

Оптические явления в дисперсных системах
В грубодисперсных системах: отражение и преломление на поверхности частиц, повторенные многократно
Особенности дисперсных систем: гетерогенность, наличие межфазной поверхности
В высокодисперсных системах: дифракционное рассеяние света (опалесценция)
Снижение прозрачности, мутность, окрашивание
Ориентация анизометричных частиц во внешних полях
Двулуче-преломление

Рассеяние света
Конус Тиндаля наблюдается сбоку на темном фоне при пропускании света через коллоидную систему.
Принцип Гюйгенса: каждую точку среды, до которой дошел фронт волны, можно рассматривать как новый источник колебаний. В однородной изотропной среде фронт волны остается подобным себе.
При наличии оптической неоднородности (с иным показателем преломления) возникает фронт волны, направление которого зависит от размера неоднородности.
Если размер неоднородности больше длины волны – в основном отражение.
Если размер неоднородности меньше длины волны колебание рассеивается по всем направлениям, вторичные волны не имеют определенной разности фаз и более или менее усиливают друг друга во всех направлениях.

Рассеяние света. Теория Рэлея
Допущения:
Рассеивающие частицы малы, их форма близка к изометричной, наибольший размер частиц более, чем в 30 раз меньше длины волны λ.
Частицы не окрашены, не проводят электрический ток, оптически изотропны.
Концентрация частиц мала, так что расстояние между ними много больше длины волны падающего света.
Объем дисперсной системы, через который проходит рассеянный свет мал, так что можно не учитывать вторичное рассеяние света.
Идея:
Под влиянием электромагнитного поля волны падающего света электроны в частице начинают совершать вынужденные колебания, в результате которых происходит излучение света во всех направлениях. Поскольку частица мала по сравнению с длиной световой волны, совокупность колебаний в ней можно заменить колебанием одного электрического диполя.
Наведенный диполь излучает колебания с частотой, равной частоте падающего света – нет изменения частоты (длины волны) рассеянного света по сравнению с падающим светом.
Рэлеевское светорассеяние – упругое (без изменения длины волны по сравнению с падающим светом).

Рассеяние света. Теория Рэлея

Рассеяние света. Теория Рэлея
Общий световой поток, рассеянный единицей объема системы во всех направлениях:
Мутность τ [м-1]
для поляризованного света
для неполяризованного света
Индикатрисса рэлеевского рассеяния
Диаграмма Ми

Рассеяние света. Теория Рэлея
Светорассеяние при большем размере частиц
Поляризация молекул в частице не совпадает по фазе – искажение и усложнение формы индикатрисс для монодисперсных систем, цвет систем изменяется в зависимости от угла наблюдения. Для полидисперсных систем индикатрисса рассеяния имеет гладкую форму
Диаграмма Ми для крупной частицы

Рассеяние света. Теория Рэлея
Светорассеяние проводящими частицами и частицами, специфически поглощающими свет
Уменьшение светового потока обусловлено не только светорассеянием, но и истинным поглощением света с превращением энергии световой волны в тепловую. Цвет золей определяется размером частиц.
С увеличением дисперсности золей максимум поглощения сдвигается в сторону меньших длин волн.
Золи золота:
Светорассеяние может наблюдаться и в гомогенных системах за счет флуктуаций плотности (молекулярное рассеяние). С повышением температуры флуктуации усиливаются. Особенно интенсивное светорассеяние – вблизи критического состояния.

Двулучепреломление
Двулучепреломление:
При оптической анизотропии частиц дисперсной фазы;
В системах с изотропными анизометричными частицами;
В растворах полимеров за счет деформации полимерных клубков.
Условие проявления: ориентация во внешних полях.
Поля:
Механическое;
Электрическое;
Магнитное.

Оптические методы исследования

Световая микроскопия
Визуальный анализ дисперсных систем:
Невооруженным глазом – от 5 мм
Оптическим микроскопом – до 0,5 мм
Разрешающая способность световой микроскопии:
Для повышения разрешающей способности можно:
Использовать возможно меньшую длину волны;
Использовать среду с большим показателем преломления;
Использовать большую апертуру.
Практический предел разрешающей способности оптического микроскопа – 100 нм!

Ультрамикроскопия
Принцип:
Исследуемый объект освещают сбоку мощным потоком света. Наблюдают рассеянный частицами свет. Частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, даже если их диаметр много меньше разрешающей способности микроскопа.
Ограничения метода: разогрев и разложение частиц при очень сильном освещении.

Турбидиметрия
Принцип:
Измеряют интенсивность света, прошедшего систему, и сравнивают с интенсивностью падающего светового потока. Интенсивность рассеянного света рассчитывают как разность между интенсивностями падающего и прошедшего света.
Ограничения метода: невысокая точность, т.к. небольшая величина (интенсивность рассеянного света) рассчитывают как разность между большими величинами (интенсивностями падающего и прошедшего света). Применяется только для золей с высокой мутностью.

Нефелометрия
Принцип:
Измеряют интенсивность света, рассеянного системой, и сравнивают с интенсивностью падающего светового потока или с интенсивностью рассеяния на стандартной системе.