Оптические свойства дисперсных систем

В зависимости от соотношения между диаметром 2г частиц дисперсной фазы и длиной волны λ, проходящей через дисперсную систему, оптические свойства системы меняются.

Если 2г значительно больше λ, то происходит главным образом отражение, преломление и поглощение света. Вследствие этого грубодисперсные системы обнаруживают мутность как в проходящем свете, так и при освещении сбоку.

Для коллоидно-дисперсных систем 2г≈λ падающего света., В. этом случае преобладает дифракционное рассеяние света, когда каждая коллоидная частица становится вторичным источником света. Визуально наблюдают опалесценцию. Это явление заключается в том, что окраска коллоидных растворов в рассеянном свете (при рассмотрении сбоку) и в проходящем свете неодинакова.

Опалесценцию впервые наблюдали независимо друг от друга в 1857 г. М. Фарадей и в 1868 г. Дж. Тиндаль (1820—1893). Поэтому явление получило название, эффекта Фарадея — Тиндаля (рис. 12.6, а). При рассмотрении сбоку хорошо виден опалесцирующий конус, также называемый конусом Фарадея — Тиндаля.

Интенсивность светорассеяния зависит от целого ряда факторов и количественно выражается уравнением, выведенным английским физиком Рэлеем (1842—1919):

I=l_oKp C_yr⁶ (12.13)

Λ⁴

где I, 1о — интенсивность рассеянного и падающего света, Вт/м²; к_р — константа Рэлея, зависящая от соотношения показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, м³; c_v — частичная концентрация золя, м-³; λ — длина волны падающего света, м; г — радиус частицы, м. Из уравнения Рэлея следует,- что интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна интенсивности падающего света, частичной концентрации золя и шестой степени радиуса коллоидной частицы и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света

Используя уравнение Рэлея, нетрудно объяснить смещение спектра рассеянного света в коротковолновую область. При освещении коллоидного раствора смешанным (белым) светом фиолетовые (длина волны 0,38—0,45 мкм) и синие (0,45—0,50 мкм) лучи будут рассеиваться значительно интенсивнее, чем красные (0,62—0,76 мкм), оранжевые (0,59—0,62 мкм) и желтые (0,56—0,59 мкм). Например, четвертая степень отношения (λ_к/λ _ф) для красного и фиолетового света равна (0,76/0,38)⁴ = 16, т. е. рассеянный красный свет в 16 раз интенсивнее фиолетового.

Проверка уравнения Рэлея показала, что оно применимо для золей, размеры частиц дисперсной фазы которых составляют приблизительно 0,1 длины волны падающего света и не применимо к коллоидным растворам металлов, окраска которых сильно зависит от поглощения света.

Ультрамикроскопия. Явление дифракционного светорассеяния положено Р. Жигмонди и Г. Зидентопфом (1903) в основу сконструированного ими ультрамикроскопа. Ультрамикроскоп отличается от обычного микроскопа тем, что объект исследования наблюдается в рассеянном свете. Для этого кювета с исследуемым, коллоидным раствором, помещенная на предметный столик микроскопа, освещается сбоку. В темном поле, как звездочки на ночном небе, видны светящиеся точки, не имеющие видимого размера, который можно было бы непосредственно измерить. Размер коллоидных частиц определяют по числу светящихся точек N в наблюдаемом объеме коллоидного раствора V_p._p. По определению, частичная концентрация коллоидного раствора c_v равна