Оптичні властивості дисперсних систем.

 

Оптичні властивості колоїдних систем визначаються як властивостями дисперсійного середовища, так і властивостями частинок дисперсної фази.

При проходженні променя світла крізь дисперсну систему можна спостерігати наступні явища:

- проходження світла крізь систему;

- заломлення світла;

- відбивання світла;

- поглинання світла або абсорбція світла;

- розсіювання (опалесценція) світла.

Останнє явище спостерігається тільки в дисперсних системах.

8.2.1. Розсіювання світла.

 

Вперше звернув увагу на розсіювання світла колоїдними системами М. Фарадей в 1857р. у 1869р. Тиндаль спостерігав утворення конусу, що світиться при проходженні променя світла через колоїдну систему (конус Тиндаля).

Опалесценція – це розсіювання світла в результаті дифракції. Це явище, характерне тільки для колоїдних систем - воно спостерігається тоді, коли розмір частинок дисперсної фази менший за довжину світлової хвилі. В іншому випадку спостерігається відбивання світла. Розрізняють дифракцію світла частинками, що не проводять, та частинками, що проводять електричний струм.

У першому, більш простому випадку, розсіяне світло поширюється в усіх напрямках включно з напрямком, протилежним до напрямку падіння променя і поляризується в різній мірі в залежності від напрямку.

Картину розсіювання світла в результаті дифракції зображають у вигляді векторної діаграми, запропонованої Мі. Для отримання такої діаграми інтенсивність розсіяного поляризованого і неполяризованого світла відкладають у вигляді векторів у всіх напрямках від точки, що зображає частинку, і кінці векторів з’єднують неперервною лінією. Зовнішній контур на діаграмі відповідає загальній інтенсивності розсіяного світла. Заштрихована частина – інтенсивності поляризованого світла, а не заштрихована інтенсивність неполяризованого світла.

Як видно з цієї діаграми, максимальній (повній) поляризації відповідає промінь, розсіяний під прямим кутом до напрямку світлового потоку.

 

Рис. 63. Діаграма розсіювання світла Мі.

Загальну інтенсивність розсіяного світла сферичною частинкою, що не проводить електричний струм, в розбавленій колоїдній системі визначає рівняння Релея:

(8.31)

I_о - інтенсивність світла, що падає;

I_P - інтенсивність розсіяного світла;

n₁, n₂ - показники заломлення дисперсної фази та дисперсійного середовища;

n - кількість частинок в одиниці об’єму;

v - об’єм частинки;

l - довжина світлової хвилі.

З рівняння Релея можна зробити наступні висновки:

1. інтенсивність розсіювання світла пропорційна до концентрації золю.

2. Інтенсивність розсіяного світла пропорційна квадрату об’єму частинки.

3. При проходженні через колоїдну систему найбільше розсіюються короткі хвилі, слабше - довгі.

4. Опалесценція золів виражена тим сильніше, чим більша різниця між коефіцієнтами заломлення світла в окремих фазах.

В частинках дисперсної фази, що проводять електричний струм, світлові хвилі індукують електрорушійну силу і енергія електромагнітних коливань перетворюються в теплову енергію, тому світло повністю поглинається, цим пояснюється непрозорість металів.

До опалесценції подібне явище флюоресценції, яке полягає у різному забарвленні розчинів при спостереженні їх під різними кутами. Причиною флюоресценції є селективне поглинання променя світла молекулами і трансформування його у інший промінь, з більшою довжиною хвилі. Флюоресценція можлива тільки при визначеній довжині хвилі світла, характерній для даної речовини.

 

Приклад 8.3

Порівняти інтенсивності світлорозсіювання емульсій бензолу у воді (показник заломлення n₁ = 1,50) і н-пентану у воді (n₂ = 1,36) при 293 К. Показник заломлення води n₃ = 1,33. Розмір частинок і концентрації емульсій однакові.

Відношення інтенсивностей світлорозсіювання розраховуємо за рівнянням:

Емельсія бензолу розсіює світло в 30,8 рази інтенсивніше, ніж емульсія н-пентану.

 

8.2.2. Абсорбція світла.

 

Ламберт та Бугер досліджуючи поглинання світла встановили залежність між інтенсивністю світла, що потрапляє у систему (I_o) та світла поглинутого системою (I_п).

I_п = I_oe^-kl (8.32)

k - коефіцієнт поглинання;

l – товщина поглинаючого шару.

Дещо пізніше Бер показав, що коефіцієнт поглинання для розчинів пропорційний молярній концентрації розчину.

k = ec (8.33)

с – концентрація розчину;

e - молярний коефіцієнт поглинання світла - величина, що не залежить від концентрації, але залежить від довжини хвилі, температури та природи розчинника.

Підставимо вираз (8.33) у рівняння (8.32) і одержимо закон Бугера-Ламберта-Бера, який встановлює залежність інтенсивності поглинутого шаром розчину світла від його товщини та концентрації. Закон Бугера-Ламберта-Бера є справедливим для розбавлених істинних розчинів. Його можна застосовувати і до колоїдних систем, якщо концентрація і товщина поглинаючого шару є невеликими. Дисперсна фаза в цьому випадку непрямо впливає на поглинання світла, а через розсіювання світла. Така абсорбція називається фіктивною, а закон Бугера-Ламберта-Бера у цьому випадку набуває вигляду:

(8.34)

K’ – коефіцієнт фіктивної абсорбції світла.

Якщо золь безбарвний („білий”), то e=0 і поглинання світла визначається тільки фіктивною абсорбцією.

З ростом розміру частинок дисперсної фази фіктивна абсорбція світла спочатку зростає, а потім спадає, причому положення максимуму залежить від довжини хвилі світла.