АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология
|
Рассеяние света
Рассеяние света имеет место во всех дисперсных системах. Однако механизм его различен. В грубодисперсных системах, частицы которых больше длины волны видимого света, светорассеяние вызывается беспорядочным отражением и преломлением падающих на частицы световых лучей. Иная картина в коллоидно-дисперсных или ультрагетерогенных системах с размером частиц 10-7 -10-10 м. Здесь рассеяние света вызвано явлением дифракции: лучи света, встречая на своем пути мелкие частицы, как бы огибают их, несколько изменяют свое направление и, таким образом, рассеиваются по всем направлениям в виде менее интенсивных, но с той же частотой волн.
Проявляется описанное светорассеяние в виде опалесценции[5] - матового свечения чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении коллоидного раствора на темном фоне. При этом, если тот же коллоидный раствор рассматривать в прямом проходящем свете, он может иметь красновато-желтую окраску. Опалесценцию следует отличать от явления флуоресценции- свечения истинных молекулярных растворов некоторых красителей, например флуоресцеина и эозина, в проходящем свете. Причиной флуоресценции является внутримолекулярное возбуждение и избирательное поглощение света флуоресцирующим веществом. Причем окраска прошедшего через раствор света получается другой, чем окраска падающего возбуждающего света (изменяется длина волны: для света, испускаемого флуоресцирующим веществом, она всегда больше, чем для поглощенного).
Рассеяние света коллоидными системами наблюдал еще Фарадей (1857 г.), исследовавший золи золота. Подробно это явление было описано Тиндалем в 1867 г., который обнаружил, что в коллоидных растворах при освещении их сбоку отмечается на темном фоне характерное переливчатое (обычно голубоватых оттенков) свечение, названное опалесценцией. В проходящем свете коллоидные растворы не отличаются от истинных растворов и ведут себя как прозрачные тела.
Как показал Тиндаль, особенно четко светорассеяние заметно при фокусировинии световых лучей внутри коллоидного раствора и наблюдении в перпендикулярном лучу направлении: видна светящаяся полоса, узкая со стороны входа света и более широкая на выходе (имеет форму конуса). Это явление часто называют эффектом Тиндаля. При тех жe условиях освещения чистые жидкости и истинные растворы не дают подобного эффекта (за исключением растворов некоторых флуоресцирующих красителей). Таким образом, путем несложного эксперимента легкоустановить, является ли раствор коллоидным или истинным (молекулярным, ионным).
В дальнейшем было установлено, что светорассеяние не является особым свойством гетерогенно-дисперсных систем. Оно характерно также для газов, чистых жидкостей и истинных растворов. Рассеяние света в этих системах обусловлено флуктуациями плотности и концентрации - непрерывным возникновением и исчезновением ассоциатов. В совершенно однородной среде свет не должен рассеиваться. В соответствии с принципом Гюйгенса каждую точку среды, до которой дошел фронт волны, можно рассматривать как новый источник колебаний. Вторичные колебания усиливают друг друга в направлении распространения волны и гасятся в других направлениях. Рассматривая, таким образом, распространение волнового фронта, можно заключить, что в однородной изотропной среде он всегда остается геометрически подобным себе, например, плоская волна будет оставаться плоской.
Если же на пути распространения плоской волны появляется локальная неоднородность (с другим показателем преломления), то каждая точка неоднородности станет самостоятельным центром колебаний. Возникает фронт волны, направление которого зависит от размера неоднородности. При значительном превышении размера неоднородности над длиной световой волны в основном наблюдается отражение света по соответствующим законам. При размере неоднородности, меньшей длины волны, колебание рассеивается по всем направлениям. В этом случае колебания, исходящие от каждой точки неоднородности, не имеют определенных разностей фаз и более или менее усиливают друг друга во всех направлениях. Так возникает рассеяние света. Оно возможно только тогда, если неоднородности находятся друг от друга на расстояниях больших, чем длина волны. Сами же неоднородности должны иметь размеры меньше длины волны.
Теория светорассеяния (опалесценции) для сферических, не поглощающих свет, не проводящих и значительно меньших длины волны падающего света частиц была развита английским физиком Рэлеем (1871 г.).
В соответствии с этой теорией, интенсивность светорассеяния должна быть функцией показателей преломления дисперсной фазы n и дисперсионной среды n0, длины волны l, объема частицы J, частичной n или весовой Сd = nJd концентрации и, наконец, интенсивности падающего света I0:Ip = Ip (n1,n0, l,c,J,I0). Вытекающее из нее уравнение интенсивности света Ip, рассеянного единицей объема дисперсной системы со сферическими частицами, значительно меньшими длины волны падающего света (не более 0,1 l), на расстоянии R от частиц в направлении, составлявшем угол q с направлением падающих лучей, имеет вид
. (3.1)
Обычно оно используется в более упрощенном виде:
, (3.2)
где , (3.3)
т.е. К является функцией от показателей преломления и постоянна для данной дисперсной системы.
Из уравнения Рэлея следует ряд выводов.
Величина Ip сильно возрастает с увеличением (n1 – n0). Например, для большинства растворов ВМВ эта разность мала, и они весьма слабо опалесцируют в отличие от суспензиодных золей. При равенстве показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среди рассеяние света может отсутствовать и в гетерогенной (неоднородной) системе.
Величина Iр пропорциональна J, а следовательно, кубу линейного размера частицы. Линейный характер сохраняется в области малых размеров частиц. Предпосылки, лежащие в основе теории, ограничивают область строгой ее применимости условием 2pr/l < 0,3. Для видимой части спектра это условие соответствует значениям r < (2-4)×10-8 м.
В системах с таким размером частиц (соответствующим коллоидной дисперсности) происходит максимальное светорассеяние (рис.3.2).
С увеличением r рост I замедляется, при r > 0,1 возрастает роль процессов отражения, а при r ³ l рассеяние заменяется отражением, убывающим с ростом r, поскольку при этом уменьшается суммарная поверхность (при C =nJd= const.), В результате исчезает опалесценция и появляется мутность (например, в суспензиях, грубых взвесях).
Рис. 3.2. Зависимость интенсивности рассеянного света от размера частиц
суспензии сульфата бария; d-диаметр частиц дисперсной фазы
С ростом размера частиц изменяются и закономерности поляризации света.
Область размеров частиц, для которой интенсивность рассеянного света максимальна, называют рэлеевской областью.
Для дисперсных систем с частицами, поглощающими свет, уравнение (3.2) неприменимо. К таким следует отнести, например, золи металлов. Селективное поглощение света металлическими частицами обусловливает, кроме того, сложную зависимость цвета прошедшего света от их размеров.
Из вышесказанного следует: пользуясь уравнением Рэлея, можно экспериментально определить J, а следовательно, r.
Интенсивность Ip пропорциональна весовой концентрации частиц Cd [6], что позволяет применить измерения Iр для количественного анализа веществ, образующих коллоидные растворы с частицами постоянного размера.
Интенсивность Ip обратно пропорциональна l4.Это означает, что при прохождении пучка белого света преимущественно должны рассеиваться наиболее короткие волны синей и фиолетовой частей спектра.
Этим объясняются ряд давно привлекающих внимание явлений и новые области практического применения указанной зависимости Ip = f(l).
Как уже отмечалось, рассеяние света наблюдается и в однородных системах - газах и жидкостях - вследствие флуктуаций плотности, которые были приняты во внимание М. Смолуховским и Л. И. Мандельштамом. Такое рассеяние обычно называют молекулярным в связи с тем, что флуктуации плотности обусловлены тепловым движением. Молекулярное рассеяние проявляется очень слабо, интенсивность рассеянного света составляет 10-6 - 10-7 часть от интенсивности падающего света. Его особенностью является зависимость Ip от температуры, с повышением которой флуктуации плотности усиливаются. Молекулярным рассеянием объясняются голубой цвет неба (рассеянный свет) и красный цвет, когда солнце находится низко над горизонтом, а его лучи проходят большой слой рассеивающей среды (проходящий свет).
Особенно благоприятные условия для возникновения значительных флуктуаций плотности создаются вблизи критического состояния вещества. Появление при этом интенсивного рассеяния света известно под названием критической опалесценции. Например, резкое возрастание интенсивности молекулярного рассеяния наблюдается в растворах при критической температуре смешения, когда возникают сильные флуктуации концентрации.
Нельзя не отметить, что светорассеянием обладают также сами молекулы газов, жидкостей, но величина его мала вследствие малых значений J. Таким образом, и здесь, как при изучении молекулярно-кинетических свойств, видно единство свойств коллоидных и истинных (молекулярных, ионных) растворов.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 1241 | Нарушение авторских прав
|