Оптические свойства коллоидных систем.Опалесценция.Уравнение Рэлея

Оптические свойства коллоидных растворов

Коллоидные системы, так же как и истинные растворы, поглощают, отражают и преломляют свет. Их отличительной особенностью является способность рассеивать свет (явление опалесценции).

Опалесценция становится особенно заметной, если через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. В этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).

Рассеивание света наблюдается только тогда, когда длина световой волны (λ) больше размера частицы дисперсной фазы. Если λ меньше диаметра частиц, наблюдается отражение света.

Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность опалесценции с размером частиц и концентрацией частиц в системе:
уравнение Рэлея
где I₀ – интенсивность падающего света, I_p – интенсивность опалесценции,
I_p/I₀ – мутность системы, k –константа, с –концентрация (кг/м³),
r – радиус частицы (м), λ –длина волны падающего света (м).

Уравнение выведено при следующих допущениях:

1) частицы имеют сферическую форму и не проводят электрический ток;
2) размер частиц не должен быть более 1/10 от λ (40-50 мкм); при увеличении размера частиц показатель степени λ уменьшается; при очень больших размерах показатель степени превращается в нуль и светорассеивание переходит в отражение света;
3) большое расстояние между частицами (разбавленная система). При больших концентрациях возникает многократное рассеивание и прямая зависимость между I_p/I₀ и концентрацией нарушается.

Выводы из уравнения Рэлея:

1. При уменьшении размера частиц опалесценция резко уменьшается (в 3-ей степени), поэтому при облучении истинных растворов опалесценция не наблюдается. Однако она будет наблюдаться, если для облучения будут использованы излучения с малой длиной волны (например, рентгеновское).

2. Для частиц данного размера мутность I_p/I₀ прямо пропорциональна концентрации частиц коллоидной системы. Это позволяет определять концентрацию по мутности раствора.

3. При облучении бесцветных коллоидных систем белым светом рассеиваются главным образом короткие волны (синие), т.к. I_p обратно пропорционально λ⁴. Поэтому при боковом освещении бесцветные коллоидные системы имеют синеватую окраску, а в проходящем свете – красноватую (дополнительный к синему цвет).

4. Коэффициент k в уравнении Рэлея зависит от соотношения величин показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если они одинаковы, то k ≈ 0, светорассеивания нет.

Билет 50