Турбидиметрия

Закон Рэлея. Методы исследований дисперсных систем, основанные на светорассеянии.

Явление рассеяния света коллоидными системами впервые было изучено Фарадеем в 1857 году на примере золей золота. Более подробно это явление было описано Тиндалем в 1868 году (эффект Тиндаля).

При распространении световых волн в однородной (изотропной) среде свет не должен рассеиваться. В дисперсных системах каждая частица фазы рассматривается как локальная неоднородность, являющаяся источником колебаний. Если размер частиц значительно больше длины волны падающего света, то наблюдается в основном отражение света. При размере частиц меньше длины волны падающего света отраженные колебания распространяются по всем направлениям, усиливая друг друга (вторичное светорассеяние). Рассеяние света возможно в тех случаях, когда частицы находятся друг от друга на расстоянии больше длины волны падающего света.

Теория светорассеяния (опалесценции) была сформулирована Рэлеем для частиц дисперсной фазы сферической формы, не поглощающих света. Согласно данной теории частицы в дисперсной системе настолько далеко друг от друга, что вторичным светорассеянием можно пренебречь, т.е. она справедлива для разбавленных коллоидных систем. Исходя из сделанного допущения, интенсивность рассеянного света является функцией частичной концентрации дисперсной фазы. Теория Рэлея применима к дисперсным системам с частицами, размеры которых значительно меньше длины волны падающего света (r £ 0,1l):

где I_p, I₀ – интенсивность рассеянного и падающего света;

F – фактор, зависящий от показателей преломления дисперсной фазы (n₁) и дисперсионной среды (n₀);

u - объем частицы дисперсной фазы;

R – расстояние от источника света до частицы дисперсной фазы;

q - угол между направлениями распространения падающего и рассеянного света.

С увеличением размеров частиц дисперсной фазы изменяется функциональная зависимость интенсивности светорассеяния от длины волны падающего света. Так, при l @ R, I_p ~ 1 / l². Закон Рэлея не выполняется для дисперсных систем с частицами, поглощающими свет.

Турбидиметрический метод анализа дисперсных систем основан на измерении интенсивности света. Прошедшего через слой дисперсной системы определенной толщины. Интенсивность проходящего через систему светового потока ослабляется пропорционально возрастанию интенсивности светорассеяния. Если условно принять рассеянный свет за поглощенный, то справедливо соотношение, аналогичное закону Бугера-Ламберта-Бэра:

где t - коэффициент мутности, характеризующий способность системы рассеивать свет;

l – толщина слоя системы, через которую проходит световой поток.

Исходя из формулы (8.8) и закона Бугера-Ламберта-Бэра, оптическая плотность и мутность дисперсной системы связаны уравнением:

Подставив величину оптической плотности в уравнение Рэлея, получим уравнение, которое может быть использовано для определения линейных размеров частиц и концентрации золей по данным турбидиметрических исследований:

где К – коэффициент, включающий константы уравнения Рэлея.

При условии l = const, l = const (измерение оптической плотности проводится при одинаковых длине волны светофильтра и толщины кюветы) могут быть решены две задачи.

1) Определение размеров частиц исследуемого золя путем сравнения его оптической плотности с оптической плотностью золя с известным размером частиц (при одинаковой концентрации дисперсной фазы):

2) Определение концентрации исследуемого золя путем сравнения его оптической плотности с оптической плотностью золя с известной концентрацией дисперсной фазы (при одинаковых средних размерах частиц):

При увеличении размеров частиц и наличии светопоглощения частицами изменяется характер зависимости оптической плотности от длины волны, которая должна быть установлена экспериментально (метод Геллера).