8. Рассеяние света. Опалесценция. Эффект Тиндаля.
Эффект Тиндаля (рассеяние Тиндаля) — оптический эффект, рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне. Характерен для растворов коллоидных систем (например, золей, металлов, разбавленных латексов, табачного дыма), в которых частицы и окружающая их среда различаются по показателю преломления. На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул. Эффект Тиндаля назван по имени открывшего его Джона Тиндаля.
Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным, то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми — они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.
Можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию «дневного света» на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. Критерий Рэлея). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим — солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не юадают прямые солнечные лучи.
Опалесценция - рассеяние света коллоидной системой, в которой показатель преломления частиц дисперсной фазы отличается от показателя преломления дисперсионной среды.
Явление опалесценции обусловлено диффракцией света и выражается тем резче, чем больше разница в показателях преломления веществ дисперсной и дисперсионной фаз. По этой причине большинство растворов высокомолекулярных соединений, хотя и имеющих1 коллоидную степень дисперсности растворенного вещества, опалесцирует слабее; достаточно сравнить по опалесценции такие золи, как золи золота, серебра, As2S3 с раствором белка, желатины, в которых опалесценция еле заметна.
9. Закон Бугера-Ламберта-Бера, оптические свойства коллоидных растворов, оптические методы анализа дисперсности.
Закон Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается
следующей формулой:
где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения (часто неправильно именуется коэффициентом поглощения).
Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств определяются природой частиц и их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из наиболее характерных оптических свойств дисперсных систем является рассеяние света.
В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Последствия воздействия света на дисперсную систему определяются законами геометрической оптики.
Дисперсные системы способны к рассеянию света, если размеры частиц (а) намного меньше длины волны света ()
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА. Оптические свойства дисперсных систем используют для определения размеров и концентрации частиц дисперсной фазы. Нижний уровень частиц, ощущаемый глазом человека 10-20 мкм. Точно определить размеры частиц можно с помощью оптического микроскопа.
Оптические методы анализа, основанные на законе Рэлея, позволяют определить концентрацию и размер частиц в диапазоне 0,01 - 0,2 мкм. К этим методам относятся ультрамикроскопия и нефелометрия.
С помощью ультрамикроскопа регистрируют не сами частицы, а рассеянный свет этих частиц. По яркости рассеянного света определяют размер частиц.
Нефелометрия позволяет определить размер частиц и их концентрацию. Метод основан на способности рассеивать свет согласно закону Рэлея. Принцип действия нефелометра основан на уравнивании интенсивностей рассеянного света исследуемой дисперсной системы и эталонного образца с известной концентрацией или размерами частиц.