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 С_d = nJd кон­центрации и, наконец, интенсивности падающего света I₀:I_p = I_p (n₁,n₀, l,c,J,I₀). Вытекающее из нее уравнение интенсивности света I_p, 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 I_p 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 I_р 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 I_p пропорциональна весовой концентрации частиц C_d [6], что позволяет применить измерения I_р для количественного ана­лиза веществ, образующих коллоидные растворы с частицами постоянного размера.

Интенсивность I_p 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 I_p = 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 I_p 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: 1272 | Нарушение авторских прав