Оптические свойства коллоидных растворов

 

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

• прохождение света через систему;

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

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

• рассеяние света;

• абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую. Преобладающий характер наблюдаемых явлений зависит от размеров частиц дисперсной фазы, от их соотношения с длиной волны падающего света.

Белый свет (дневной, солнечный свет) полихроматичен, длина волны меняется от 4 * 10^-5 см (фиолетовый свет) до 7 * 10^-5 см (красный свет).

Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это имеет место в случае истинных растворов (молекулярно-ионная дисперсия) и большинства индивидуальных жидких веществ.

Преломление и отражение света наблюдаются для систем, в которых частицы дисперсной фазы значительно больше длины волны падающего света. Это неравенство выполняется для микрогетерогенных и грубодисперсных систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света. Именно такое соотношение выполняется для коллоидных растворов, оптические свойства которых рассматриваются в этой главе (напомним, что размеры частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах – 10^-5 – 10^-7 см).

Итак, наиболее типичное оптическое явление в коллоидных растворах — это светорассеяние (опалесценция[8]).

 

РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Опалесценцию, обусловленную светорассеянием, наблюдал Фарадей (1857), а затем Тиндаль (1869), обнаруживший образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор («конус Тиндаля»). Если таким же образом освещать истинный раствор или индивидуальную жидкость, то никакого свечения не наблюдается, так как эти системы являются оптически пустыми. В случае микрогетерогенных и грубодисперсных систем вместо равномерного свечения наблюдаются отдельные блестки, обусловленные отражением света от крупных частиц.

Теорию светорассеяния создал Рэлей.

При прохождении световой волны переменное во времени электромагнитное поле вызывает поляризацию частиц. Возникающие диполи с переменными электромагнитными моментами являются источниками излучения света. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями, вследствие интерференции распространяется только в первоначальном направлении. Если же в среде имеются неоднородности с другими показателями преломления, например, коллоидные частицы, то диполи излучают нескомпенсированное излучение во всех направлениях – рассеянный свет.

Интенсивность рассеянного света в различных направлениях различна. Однако длина волны рассеянного света такая же, как и падающего.

Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света I с интенсивностью падающего света I₀, справедливое при условии, что:

• частицы имеют сферическую форму;

• частицы не проводят электрический ток (т. е. являются неметаллическими);

• частицы не поглощают свет, т. е. являются бесцветными;

• коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше длины волны падающего света.

Уравнение Рэлея:

,

где V – объем одной частицы, v – частичная концентрация, – длина волны; n₁ – показатель преломления частицы, n₀ – показатель преломления среды.

Рассмотрим зависимость I от различных параметров системы.

1. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше различаются показатели преломления частицы и среды (n₁ – n₀). Таким образом, если показатели преломления n₁ и n₀ одинаковы, то светорассеяние будет отсутствовать и в неоднородной среде.

2. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем больше частичная концентрация v. Массовая концентрация с, г/дм³, которой обычно пользуются при приготовлении растворов, связана с частичной концентрацией выражением:

(7.2)

где – плотность частицы.

Если подставить в уравнение Рэлея взамен частичной концентрации v массовую с, получим:

(7.3)

Таким образом, интенсивность рассеянного света пропорциональна объему частицы и, следовательно, кубу ее линейного размера.

Следует отметить, что эта зависимость сохраняется только в области малых размеров частиц, когда

где r – радиус частиц.

Для видимой части спектра это условие соответствует значениям 2 * 10^-6 см< r < 4 * 10^-6 см. С увеличением r рост I замедляется, а при рассеяние заменяется отражением.

Итак, интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна с.

На этом основано применение измерений светорассеяния для определения концентрации золя с частицами постоянного размера.

3. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны – синей и фиолетовой частей спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете – красноватую.

Голубой цвет неба также обусловлен рассеянием света мельчайшими капельками воды в атмосфере. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом свет, прошедший через атмосферу.

Зависимость I от ⁴ имеет и практическое значение, например, в сигнализации. Красный цвет выбран сигналом опасности именно потому, что он виден в туманную погоду на больших расстояниях, чем любой другой, вследствие малого рассеяния. Лампы синего света применяют для светомаскировки, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, так как синие лучи при прохождении через толстый слой воздуха, особенно если в нем содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются.

Малое рассеяние инфракрасных и коротких радиоволн используется для локации, так как эти волны обладают большой проницаемостью и в то же время незначительным рассеянием. Зеленые растения поглощают именно красные лучи солнечного света, потому что они менее всего рассеиваются атмосферой Земли.