Рассеяние света. Уравнение Рэлея

Светорассеяние происходит вследствие дифракции света на неоднородностях среды или вблизи частиц, размеры которых меньше половины длины световой волны. Причиной его является взаимодействие электромагнитной волны с электрическим и гравитационным полем малой частицы. В частице под действием переменного вектора электрической напряжённости световой волны возникает избыточный по равнению с дисперсионной средой дипольный момент. Осциллирующий нескомпенсированный диполь и является причиной отклонения волны. В результате волна огибает частицу, изменяет свое направление, но её длина остаётся прежней в отличие от люминесценции, при которой длина волны, как правило, изменяется. Наиболее интенсивное светорассеяние наблюдается в тех случаях, когда поперечник частиц не превышает 0, 1 длины волны света. Направление движения световых волн после такого отклонения может быть самым различным, то есть свет рассеивается во всех возможных направлениях. Однако в зависимости от соотношения длины волны и размеров коллоидных частиц возможны какие=то преимущественные направления. Чаще всего это преимущественное отклонение происходит под острым углом к первоначальному направлению падающего на систему луча, но возможно отклонение и под прямым и даже под тупым углом, т. е. назад. В результате коллоидные растворы при рассматривании в боковом свете производят впечатление светящихся. Причём интенсивность такого свечения различна в зависимости от угла, под которым производится наблюдение. Кроме того, рассеянный свет часто бывает в той или иной степени поляризован.

Характерное проявление светорассеяния - эффект Фарадея - Тиндаля, впервые замеченный М. Фарадеем (1857) и подробно описанный
Дж. Тиндалем (1868). Заключается этот эффект в том, что при прохождении светового луча сквозь коллоидную систему (например, разбавленный латекс, табачный дым, лиозоли) он становится видимым. Если луч расходящийся, то он представляется в виде светящегося конуса на темном фоне («конус Тиндаля»), если не расходящийся, - то в виде прямого светового жгута. В лабораторных условиях эффект Фарадея - Тиндаля может быть наглядно продемонстрирован на таком опыте. Следует приготовить раствор сульфата меди в очищенной от механических примесей дистиллированной воде и коллоидный раствор берлинской лазури. Разбавлением одного из этих растворов можно добиться того, что оба они будут иметь одинаковую синюю окраску. Затем следует направить на стаканы с этими растворами узкий яркий луч света таким образом, чтобы он сначала прошёл сквозь раствор сульфата меди, а затем – сквозь золь берлинской лазури. При рассматривании сбоку или сверху луч в стакане с золем берлинской лазури проявится в виде ярко-голубого светового жгута, а стакане с раствором сульфата меди не будет виден (или, из-за присутствия небольшого числа мелких пылинок, которые не удалось удалить, будет слегка заметен).

Проявлением эффекта Фарадея - Тиндаля является возможность видеть сбоку длинные лучи света от Солнца, пробивающиеся сквозь просветы в облаках. Ночью хорошо видны даже издалека лучи прожекторов, ночных маяков, фар автомобилей и железнодорожных локомотивов и т. д. Возможность их видеть обусловлена рассеянием света на имеющихся в воздухе коллоидных и пылевых частицах, а также капелек тумана. Светорассеяние очень ярко проявляется при попадании света на минерал опал. Это голубоватое свечение известно с глубокой древности и называется опалесценцией. Впоследствии этот термин был распространён на проявления светорассеяния и во всех других коллоидных системах.

В чистом виде голубая опалесценция наблюдается только в коллоидных системах с бесцветными частицами и средой. Если же частицы, а тем более среда, сами по себе имеют окраску, цвет опалесценции может измениться. Так, например, гидрозоль иодида серебра с желтоватыми частицами проявляет зелёную опалесценцию. В интенсивно окрашенных коллоидных растворах она может маскироваться, что приводит к затруднению в её наблюдении. При этом иногда опалесценцию можно обнаружить в виде как бы металлического налёта на стенках пробирки, наблюдаемого при рассматривании сбоку от падающего света.

Теория светорассеяниябыла разработана главным образом в трудах Дж. У. Рэлея (кон. XIX в.). Наиболее простым случаем является рассеяние света при выполнении следующих условий:

1. Рассеивающие частицы имеют размеры значительно меньше длины волны падающего света и их форма близка к сферической.

2. Частицы не поглощают света, оптически изотропные, не окрашены.

3. Частицы не обладают электрической проводимостью.

4. Частичная концентрация мала; расстояние между частицами велико по сравнению с длиной волны падающего света.

5. Объём дисперсной системы мал, так что можно не учитывать вторичное рассеяние уже рассеянного света.

Исходя из этих положений и ограничений, Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивность I_p света (рассеянного под углом 90^о к на­прав­ле­нию падающего на систему луча) с интенсивностью падающего на систему света I _o и различными параметрами системы:

где n - частичная концентрация золя (число частиц в единице объёма); V - объём отдельной частицы дисперсной фазы; l - длина волны света; n ₀ и n - коэффициенты преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно.

В таком виде уравнение позволяет рассчитать интенсивность рассеянного света в непосредственной близости от кюветы с исследуемым золем. По мере удаления от кюветы I _p убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Степень при длине волны с увеличением размеров частиц обычно уменьшается, и когда они приближаются к длине волны падающего света, может достигнуть нуля, что говорит о смене светорассеяния отражением.

Из анализа уравнения Рэлея следует, что:

1. Если коэффициенты преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы, рассеяние будет отсутствовать и в дисперсных системах, подобно тому, как оно отсутствует в гомогенных системах.

2. Так как интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длины волны в четвёртой степени, то лучше всего рассеиваются коротковолновые (фиолетовые, синие) лучи, тогда как длинноволновые (красные, оранжевые, жёлтые) лучи наименее подвержены рассеянию. Это обусловливает неравномерную окраску света, рассеянного в различных направлениях одной и той же системой. Но, в общем, коллоидные растворы с бесцветными частицами при рассматривании в боковом свете представляются светящимися голубым или слегка зеленоватым светом. Если же смотреть на источник света непосредственно сквозь них, то в глаз наблюдателя попадают плохо рассеивающиеся лучи и коллоидные растворы выглядят красноватыми, коричневатыми, оранжевыми и т. п.

3. Поскольку I _p зависит от частичной концентрации золя, то, измеряя интенсивность светорассеяния, можно определять концентрацию золей (при условии, что у них одинаков средний радиус частиц). На этом основан такой оптический метод анализа, как нефелометрия.

4. Так как I _p зависит от квадрата объёма частиц дисперсной фазы, то по интенсивности светорассеяния можно рассчитать размеры его частиц, если известна концентрация золя.

При освещении суспензий и эмульсий, в особенности полидисперсных, одновременно c рассеянием света может иметь место и его отражение и преломление. Внешне это проявляется в виде мутности, которая определяется как отношение I _p / I ₀, где под I _р, подразумевается сумма интенсивности рассеянного и отраженного света. Оптический метод анализа, связанный с измерением мутности, называется т урбидиметрией.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: