Розсіяння світла

Коли світлова хвиля проходить крізь речовину, електрони всередині атомів та молекул здійснюють вимушені коливання з частотою падаючого випромінювання. У цьому випадку вони самі стають вторинними випромінювачами. Розрахунки свідчать про те, що в однорідних середовищах (оптичному склі, чистих, прозорих рідинах та газах) вторинні хвилі внаслідок інтерференції гасять одна одну по всіх напрямках, крім напрямку поширення світла, що проходить крізь речовину. Для повного гасіння необхідна умова однорідності середовища, тому що необхідна не лише когерентність, а й рівність інтенсивностей вторинних хвиль. При наявності неоднорідностей інтенсивність вторинних хвиль в різних місцях та напрямках буде мати різні значення, а тому повного гасіння не відбудеться і спостерігатиметься явище розсіяння світла.

Розрізняють два види неоднорідностей:

1. Неоднорідності, що зумовлені присутністю мілких сторонніх частинок (туман, дим, емульсія, суспензія). Такі середовища, які складаються з мілких сторонніх частинок, завислих в однорідному середовищі, називаються мутними. Розсіяння світла в мутному середовищі називається ефектом Тіндаля.

2. Неоднорідності середовища, що спонукають до флуктуацій діелектричної проникності чи показника заломлення речовини, називаються оптичними. Розсіяння світла на флуктуаціяхпоказника заломлення, що викликаються флуктуаціями густини, температури, концентрації тощо, називається молекулярним (нагадаємо, що флуктуація - це відхилення певної величини від її середнього значення).

Релей встановив, що під час розсіяння світла у мутному середовищі на частинках,, менших за розміром, ніж 0,2Л, а також при молекулярному розсіянні інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертій степені довжини хвилі (закон Релея):

Якщо розміри неоднорідностей значно переважають довжину хвилі випромінювання, то

В наслідок розсіяння світла в усі інші напрямки інтенсивність світла в напрямку поширення зменшується скоріше, ніж у разі одного лише поглинання (рис. 7.35). Послаблення інтенсивності в цьому випадку описується такими формулами:

де µ =k + æ - коефіцієнт послаблення (µ' = 0,43µ); k - коефіцієнт розсіяння; æ — коефіцієнт поглинання, що віднесені до одиниці довжини шляху в речовині.

Інтенсивність розсіяного світла в різних напрямках (в наближенні Релея) можна визначити за формулою

Слід відзначити, що світло, розсіяне під кутом α=π/2 до напрямку випромінювання, що проходить крізь речовину, виявляється поляризованим, а за інтенсивністю вдвічі меншим розсіяного під кутами α = 0 і α = π. Методи виміру параметрів (інтенсивності, ступеню поляризації) розсіяного світла з метою одержання інформації щодо концентрації, розмірів частинок і макромолекул в розчинах та характеру міжмолекулярної взаємодії називаються нефелометрією, а самі пристрої -нефелометрами.

Колориметрія

У медичній практиці важливим аспектом є особливості поглинання світла розчинами. Інтенсивність поглинання світла в цьому випадку залежить від концентрації молекул, з якими взаємодіє світло.

Якщо розчинник не поглинає світло з певною довжиною хвилі, то поглинання монохроматичного світла забарвленими розчинами описується законом Бугера-Ламберта, а показник поглинання за низьких концентрацій прямо пропорційний концентрації речовини в розчині (закон Бера):

де χ — питомий показник поглинання (для шару розчину одиничної товщини з одиничною концен­трацією).

Тоді закон Бугера-Ламберта-Бера можна виразити так:

Де І – інтенсивність світла, що пройшов через розчин, І₀ – інтенсивність світла, що падає на розчин.

Закон бера виконується для розчинів з невеликою концентрацією, а за великих концентрацій показник поглинання внаслідок взаємодії молекул залежить від концентрації розчину. Якщо перейти від натурального логарифма до десяткового, то формула Бугера-Ламберта-Бера

Де

Коефіцієнтом пропускання або прозорістю розчину називають таке відношення:

а оптичною густиною розчину таке:

Порівнявши це рівняння із формулою (16.32), отримаємо:

На законі Бугера-Ламберта-Бера ґрунтується один з методів визначення концентрації речовини в забарвлених розчинах (концентраційна колори­метрія).

Із формули (16.36) бачимо, що для розчинів однієї і тієї ж речовини оптична густина прямо пропорційна добуткові концентрації розчину на товщину шару. Два розчини однієї речовини з концентраціями с₁ і с2 і товщинами шарів відповідно d₁ і d₂ поглинають світло однаково, тобто їхні оптичні густини рівні: d₁ = D₂ - Виконується таке співвідношення:

Отже, у цьому випадку концентрації розчинів обернено пропорційні товщинам шарів. Це співвідношення лежить в основі концентраційної коло­риметрії. Для визначення концентрації розчину використовують колориметри: візуальні та об'єктивні (фотоелектроколориметри).

П рикладом візуального колориметра є плунжерний колориметр (рис.16.26).

Від джерела світла (Д) через конденсорну лінзу (Л) світло падає на розміщені поряд дві кювети (К). В одну кювету наливають стандартний розчин, а в другу — досліджуваний.

Товщина шарів розчинів регулюється скляними стовпчиками (плунжерами) (С). Пройшовши через шар рідини та плунжери, світло потрапляє у призму (П), а потім у поле зору, яке має форму двох півкіл, що дотикаються по діаметру; їх ми бачимо в окулярі (Ок). Регулюючи положення плунжерів у розчинах, досягають однакової яскравості обох половин поля зору. За положенням плунжерів у кюветах визначають товщини шарів розчинів. Тоді концентрацію речовини в досліджуваному розчині можна визначити за таким співвідношенням:

де с_сm — концентрація стандартного розчину; d_сm і d — товщини шарів стандартного і досліджуваного розчинів.

Недоліком використання такого колориметра є суб'єктивний підхід до оцінки однорідності забарвлення поля зору. Цієї суб'єктивності можна уникнути, якщо світлові п учки, які виходять із кювет, потраплятимуть на фотоелементи, тобто буде реєструватися фотострум, пропорційний інтенсивності світла. У цьому випадку не є обов'язковим однакове освітлення поля зору, тобто непотрібно змінювати товщину шару. Один фотоелемент освітлюють променями, що пройшли через розчин, а інший — променями, які пройшли через розчинник, і вимірюють різницю двох фотострумів. За цією різницею можна визначити концентрацію розчину (рис.16.27).

Фотоколориметричиим методом визначають ступінь насичення крові киснем (оксигемометрія).