Оптические свойства коллоидных растворов. Уравнение Рэллея и условия его применения

Свет рассеивается микрогетерогенными системами в том случае, если размер частиц r меньше длины световой волны l, а расстояние между частицами больше световой волны. При размере частицы r < l световая волна огибает частицы; происходит дифракционное рассеяние. Если размер частицы значительно больше длины световой волны, происходит отражение света.

В. Рэлей развил теорию рассеяния света дисперсными системами, в которых частицы не поглощают свет и имеют сферическую форму. В полученной формуле он связал световую энергию, рассеянную единицей объема дисперсной системы, с концентрацией частиц и их объемом V, длиной световой волны l и показателями преломления дисперсной фазы n₁ и дисперсной среды n₂.

Эта формула имеет вид:

, где I₀ и I – интенсивность падающего света и света, рассеянного единицей объема дисперсной системы; с – весовая концентрация дисперсной фазы; r – плотность дисперсной фазы. Из этой формулы следует, что рассеяние света тем больше, чем больше отличается показатель преломления дисперсной фазы n₁ от показателя преломления дисперсионной среды, чем больше концентрация дисперсной фазы и чем больше объем частичек. Рассеяние света очень резко зависит от длины световой волны: чем меньше длина волны, тем больше рассеяние света.

Поскольку рассеяние более коротких волн голубой части спектра происходит интенсивнее, то коллоидный раствор в проходящем свете имеет красноватую окраску, а в боковом – голубоватую.

Уравнение Рэлея справедливо для монодисперсных разбавленных коллоидных растворов при размерах частиц дисперсной фазы r < 0.1 l, т.е. r < 40-70 нм (длина волны видимой части спектра 400‑700 нм).

Более общая теория рассеяния света и соответствующие формулы, справедливые для дисперсных систем всех степеней дисперсности, были предложены Г. Ми. Он учел, что при больших размерах частиц (r > 0,1 l) наряду с электрическими возникают и магнитные поля, это осложняет картину рассеяния света системой и делает ее очень чувствительной к отношению r/l. Максимум рассеяния, согласно теории Ми, наблюдается для систем с размером частиц от 1/4 до 1/3 l. Теория Ми охватывает также системы с частицами, проводящими электрический ток, для которых формула Рэлея непригодна. По этой теории интенсивность светорассеяния проходит для проводящих частиц через максимум, положение которого зависит в основном от длины световой волны.

Известно, что если луч света проходит через большую толщу среды, светорассеяние заметно себя проявляет. Так, луч солнечного света, проходящий через большую толщу атмосферы, рассеивается, что и определяет освещенность неба и его голубой цвет, связанный с преимущественным рассеянием коротковолновой голубой части спектра. Когда солнце находится в зените, «белый» луч относительно мало обедняется лучами голубой части спектра, и поэтому мы не замечаем слегка красноватого оттенка прямых солнечных лучей. На кате солнца лучи света проходят через слой атмосферы, больший в несколько десятков раз. Поэтому «белый» луч заметно обедняется голубой частью спектра и приобретает красную окраску.