Оптические свойства высокодисперсных систем

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их раз­меров свет, проходя через дисперснутр систему, может поглощать­ся, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсные системы (интерференция, дифракция, поляриза­ция, преломление и отражение света и др.) определяются зако­нами геометрической оптики.

Дисперсные системы способны к рассеянию света. В резуль­тате рассеяния проходящий через коллоидный раствор луч света становится видимым (эффект Тиндаля). Этот вид рассеяния на­зывают опалесценцией. Для молекулярных и ионных растворов подобный эффект не наблюдается.

Способностью к светорассеиванию обладают не только ча­стицы, но и ассоциаты молекул, макромолекулы и включения, нарушающие однородность среды. Рассеяние заключается в пре­образовании света веществом, которое сопровождается измене­нием направления света.

Схематически рассеяние света можно представить следующим ] образом:

Падающий свет с частотой и

Молекулы высокодисперсных частиц (атомы)

Поляризация молекул (атомов) и возникновение -> диополей с пере­менным моментом

-» Излучение кванта с частотой d₁

Световая волна вызывает поляризацию молекул не проводя- \ щих и не поглощающих свет частиц; возникающий при этом ди- j польный момент ц определяется по уравнению

IX = ос£,

где а — поляризуемость; Е — напряженность возбужденного электрического j поля, образованного падающим светом.

Возникающие диполи колеблятся с частотой падающего све- j та^ и создают вторичное излучение во всех направлениях. В од-я неродной среде свет, излучаемый йсеми диполями вследствие ин? *

терференции*, распространяется прямолинейно. В неоднород­ной среде, к которой относятся высокодисперсные системы с раз­личным показателем преломления фазы и среды, интерферен­ция отсутствует, и испускается нескомпенсированное излучение в виде рассеянного света. Если энергия поглощенного кванта све­та (Аи) рав'на энергии испускаемого кванта (hx>_x), то рассеяние будет рэлеевским, или упругим.

Оно реализуется в том случае, когда размеры частиц диспер­сной фазы намного меньше длины волны света X, а именно

я<0,1Л. (8.1)

Длина волны видимого света колеблется в пределах 380-760 нм. Поэтому условие (8.1) справедливо для частиц дисперсной фазы, размеры которых не превышает 76 нм, т.е. для высоко­дисперсных систем.

Теорию рассеяния света развил английский физик Рэлей, поэтому рассеяние света высокодисперсными системами при соблюдении условия (8.1) называют рэлеевским. Еще раз под­черкнем, что характерной особенностью рэлеевского рассеяния является равенство энергий испускаемого и падающего квантов света (т.е. равенство частот падающего и рассеянного света).

В результате рассеяния интенсивность падающего света /₀ изменяется и будет характеризоваться величиной /_р, которая, со­гласно Рэлею, определяется по формуле

> ^v"^ / ⁿ ' ~ ^{n 2} \

(8.2)

= 24л "ТТ"1 ' "—Т)J",

X ^v n i + 2п 2 ⁷

где d₄ — численная концентрация дисперсной фазы; V — объем частиц (для шарообразной частицы он равен 4ягУЗ); г — радиус частиц; X — длина волны падающего света; n_vn₂ — показатели преломления дисперсной фазы и диспер­сионной среды.

Рэлеевское рассеяние света характерно для неэлектропровод­ных, оптически однородных и прозрачных частиц (белые золи). При этом размер частиц должен соответствовать условию (8.1), частицы иметь изомермическую форму, а расстояние между ними должно превышать длину волны падающего света.

В обычных условиях витающие мелкие частицы в воздухе не видны, но при прохождении солнечного луча в затемненной ком­нате он становится видимым. Фактически глаз человека воспри­нимает интенсивность света, рассеянного высокодисперсными частицами.

'Интерференцией называют сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором происходит усиление или уменьшение ре­зультирующей волны.

Рис. 8.1. Рассеяние света малой (а) и крупной (б) частицей:

1 и 2 — неполяризованная и поляризованная части света

соответственно; 3 — полярная молекула (диполь).

4 — направление максимальной интенсивности рассеяния

поляризованной части света

В соответствии с уравнением (8.2) интенсивность рассеян<| ного света при прочих равных условиях зависит от размеров чаи] стиц и их численной концентрации:

В формуле (8.3) коэффициент пропорциональности к_{ ознат! чзет, что другие члены уравнения Рэлея остаются неизменными^! Поясним преобразование уравнения (8.2) в уравнение (8.3). Есл* числитель и знаменатель уравнения (8.2) умножить на р (плот-?1 ность материала частиц дисперсной фазы), то произведение соответствует массе дисперсной фазы в единице объема, т.еЛ массовой концентрации v_M. Это значит, что интенсивность рас*! сеянного света пропорциональна при постоянной массовой кон-| центраций размеру частиц дисперсной фазы в третьей степени.!

Как следует из уравнения (8.2), интенсивность рассеянного! света обратно пропорциональна длине волны падающего света ] четвертой степени:

/_р = /с₂/₀/Х⁴. (8.4)1

Свет коротких волн рассеивается сильнее. Красный свет имеет наибольшу в видимой части спектра длину волны (620—760 нм) и рассеивается в меньше степени. Поэтому запрещающие сигналы светофоров и других регулируюи устройств имеют красный свет, а бамперы электричек и электровозов, жиле железнодорожных рабочих — красно-коричневую или оранжевую окраску.

Длина волны фиолетового света 380—450 нм; он рассеивается боле интенсивно по сравнению с красным. Интенсивность рассеяния фиолетовог света примерно в 16 раз выше интенсивности рассеяния красным, длина вол» которого лишь в два раза превышает длину волны фиолетового света. Не| случайно во время Великой Отечественной войны применялись синие лампочк