Оптические свойства коллоидных систем
Если коллоидный раствор рассматривать в проходящем свете, то он будет казаться совершенно прозрачным, однородным и ничем не отличаться от других растворов. Иная картина получается, когда коллоидный раствор рассматривать сбоку на тёмном фоне. Здесь мы наблюдаем характерные переливы (обычно голубоватые) свечение, называемое опалесценцией. Это эффект Тиндаля (рис. 30).
Рис. 30. Эффект Тиндаля.
Явление обусловлено рассеянием света, вследствие его дифракции в микронеоднородной дисперсионной среде. Напомним, дифракция - это отклонение луча от прямой линии, преломление коллоидными частицами лучей света. Специфика оптических свойств объектов коллоидов определяется их основными признаками: гетерогенностью и дисперсностью. Дисперсные системы обладают фазовой и соответственно оптической неоднородностью.
При прохождении луча света через дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления.
1. Прохождение света через дисперсную систему.
2. Преломление света частицами дисперсной фазы.
3. Отражение света частицами дисперсной фазы.
4. Рассеивание света (в виде опалесценции).
5.Адсорбция (поглощение) света дисперсной фазы, с превращением световой энергии в тепловую энергию.
Прохождение света характерно для прозрачных систем молекулярной или ионной дисперсности (газы, индивидуальные жидкости – истинные растворы). Преломление и отражение света всегда наблюдается в микрогетерогенных системах, и находят отражение для относительно грубых систем (суспензии, эмульсии). Для коллоидных ультрамикрогетегенных систем с размером частиц от 1 до 100нм наиболее характерно рассеяние и адсорбция света. Причём светорассеяние наблюдается, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы, то есть не более 0, 1 длины волны (не больше 100 нм).
Уравнение Рэлея
Для частиц сферической формы, не проводящих электрического тока, небольших по сравнению с длиной волны падающего света, и отстоящих на достаточно большом расстоянии друг от друга (разбавленные растворы), Рэлей вывел уравнение, связывающее интенсивносить падающего света І с интенсивностью рассеянного света І0 единицей объёма.
24π3 νυ 2 (n1 2 - n0 2)2
І = І0 ---------- ----------------------. (26)
λ 4 (n1 2 + 2 n0 2)2
Здесь: n 1 и n0 - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды; ν – частичная концентрация в единице объёма;υ – объём одной частицы; λ – длина световой волны.
Уравнение Рэлея (26) – основа оптических методов исследования коллоидных растворов по светорассеянию. Рассмотрим зависимость І от различных параметров.
1. Величина сильно возрастает с увеличением (n1 - n0).
2. Условием линейности уравнения является: 2πr/ λ<0, 3(r –радиус частицы); а для видимой части спектра это условие имеет значение r<(2-4)∙ 10-6см.
3.Так как интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна квадрату концентрации, то следует учесть, что при больших концентрациях возникает многократное рассеяние, и в уравнение (26) надо вводить поправку.
4.Интенсивность І обратно пропорциональна λ 4 .Это означает, что при прохождении пучка белого света преимущественно рассеиваться должны наиболее короткие волны - синей и фиолетовой части спектра. Действительно для неокрашенных систем при боковом освещении характерна голубоватая опалесценция. С этим связан голубой цвет табачного дыма, керосина, снятого молока. Голубой цвет неба также обусловлен рассеянием света капельками воды и местными флуктуациями плотности газов а атмосфере. И наоборот, рассматривая такие системы в проходящем свете, мы наблюдаем оранжево – красные оттенки, связанные с частичной потерей в результате рассеяния фиолетовой части спектра. Этим обусловлен красноватый цвет небесных светил при расположении их у горизонта. Аналогичная теория Рамана объясняет цвет морской воды.