2.2.5 Оптичні властивості дисперсних систем

Дослідження оптичних властивостей дисперсних систем дає цінні відомості про їх структуру, розмір і форму частинок, а також дозволяє визначити концентрацію дисперсної фази.

2.2.5.1 Розсіяння світла

Х арактерні оптичні властивості дисперсних систем зумовлені гетерогенністю, яка лежить в основі їх відміни від гомогенних істинних розчинів. Розглянемо загальні закономірності проходження світла через дисперсні системи. Якщо пучок світла падає на поверхню будь-якої частинки, лінійні розміри якої більші, ніж довжина хвилі падаючого на неї світла, то відбувається відбивання світла за законами геометричної оптики. При цьому частина світла

може проникати всередину частинки, зазнавати заломлення, внутрішнє відбивання і поглинатися. У випадку частинок, які мають розміри, менші за половину довжини хвилі падаючого світла, відбивання світла від площини частинки в певних напрямках не відбувається, світло розсіюється за всіма напрямками, огинаючи частинки, які зустрічаються на його шляху (явище дифракції). Явище розсіяння світла при проходженні світлового пучка через газоподібне або рідке середовище, в якому зависли найдрібніші частинки, вперше спостерігав Тиндаль у вигляді конуса, який світиться (рис. 2.8). Це явище одержало назву ефекту Тиндаля. Він також спостерігав характерне голубувате світіння колоїдних розчинів на темному фоні при боковому освітленні. Це світіння було названо опалесценцією.

Подалі було встановлено, що при проходженні світла через чисту воду і істинні розчини низькомолекулярних речовин ефект Тиндаля не спостерігається. Такі середовища одержали назву оптично порожніх. Таким чином, ефект Тиндаля є важливим засобом для виявлення колоїдного стану, тобто гетерогенності системи.

Теорія розсіяння світла була розроблена англійським фізиком Релеєм (1871 р.), який для систем з непровідними частинками сферичної форми, радіус яких менший за довжину хвилі падаючого світла, вивів таке рівняння:

, (2.33)

де I_p – інтенсивність розсіяного світла,

I₀ – інтенсивність падаючого світла,

п₁ і п₀ – показники заломлення відповідно дисперсної фази і дисперсійного середовища,

V – об'єм частинки,

v – концентрація частинок,

 – довжина світлової хвилі.

Із рівняння Релея можна зробити такі висновки:

1. Інтенсивність розсіяння світла прямо пропорційна частинковій концентрації. Отже, вимірявши інтенсивність розсіяння, можна визначити концентрацію дисперсної фази.

2. Інтенсивність розсіяння світла прямо пропорційна квадрату об'єму частинки. Тобто із збільшенням розміру частинок розсіяння збільшується. Однак треба пам'ятати, що ця теорія застосовна до частинок розміром, не більшим за 0,1 довжини світлової хвилі. Тобто залежність між I_p та V відноситься тільки до релеївської області. За межами цієї області розсіяння або зникає (у молекулярних розчинах), або переходить у відбивання (у мікрогетерогенних системах).

3. Розсіяння світла перебуває в прямій залежності від різниці показників заломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища. При рівності показників заломлення система не розсіює світла.

4. Величина I_p обернено пропорційна ⁴. Отже, розсіяння коротких хвиль (УФ, синіх) відбувається відносно більш інтенсивно і це дозволяє пояснити забарвлення дисперсних систем. Наприклад, якщо розглядати при боковому освітленні безбарвний золь (мастики, сірки та ін.), то він буде забарвлений в синій колір, бо найбільше розсіяння мають короткі хвилі блакитного і синього світла. При спостереженні цих самих золів у прямому світлі вони будуть забарвлені в жовто-червоний або червоний колір, що пов'язано з частковою втратою внаслідок розсіяння фіолетової частини спектру. Блакитний колір неба і червоний колір зорі пояснюються тими самими явищами.

Рівняння Релея вірне тільки для золів з частинками, що не проводять струм (діелектриків). У золів з частинками-провідниками, особливо металів, повинно враховуватися не тільки розсіяння, але і поглинання (абсорбція) світла.

На опалесценцію зовні схожа флуоресценція, характерна для істинних розчинів деяких барвників. Вона полягає в тому, що розчин має різне забарвлення у прямому і відбитому світлі і в ньому можна спостерігати конус Тиндаля. Але сутність цих явищ різна. Опалесценція зумовлена розсіянням світла, довжина хвилі при цьому не змінюється. Флуоресценція – це явище селективного поглинання світлового променя і трансформування його у промінь з більшою довжиною хвилі.