Закон Рэлея

Согласно теории, развитой Рэлеем, предполагается, что сферические частицы в дисперсной системе находятся настолько далеко друг от друга, что можно пренебречь вторичным рассеянием, и поэтому интенсивность рассеянного света пропорциональна числу частиц в единице объема, или численной концентрации дисперсной системы v. Формула Рэлея для интенсивности света I_р, рассеянного единицей объема дисперсной системы со сферическими частицами, значительно меньшими длины волны падающего света (не более 0,1 ) на расстоянии R от частиц в направлении, составляющим угол с направлением распространения излучения, имеет вид

, (3.1)

где I₀ — интенсивность падающего света.

Функция от показателей преломления F определяется соотношением

. (3.2)

Отсюда следует, что рассеяние может отсутствовать и в неоднородной среде, если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы [2].

Ограничения закона Рэлея

Закономерность, выведенная Рэлеем, перестает выполняться, если размеры частиц дисперсной фазы приближаются к длине волны падающего света.

Закон Рэлея не выполняется для дисперсных систем с частицами, поглощающими свет. Селективно поглощают свет, например, металлические частицы, что обусловливает, кроме того, сложную зависимость цвета прошедшего света от размеров частиц.

Частицы должны быть неэлектропроводны и иметь сферическую форму.

К основным методам исследования, использующим явление рассеяния света, принадлежит ультрамикроскопия, турбидиметрия и нефелометрия [2].

Турбидиметрия

Турбидиметрический метод исследования основан на измерении интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему. Интенсивность падающего светового потока ослабляется в результате его рассеяния дисперсной системой. Если принять рассеянный свет за фиктивно поглощенный, то это позволяет получить простое соотношение, аналогичное закону Бугера –Ламберта – Бера для поглощения света молекулярными растворами. Ослабление интенсивности света dI пропорционально интенсивности падающего света I и приращению толщины слоя исследуемой системы dx:

dI =  / dx, (3.3)

где  – коэффициент пропорциональности, характеризующий способность системы рассеивать свет, его называют мутностью.

После интегрирования в пределах от I₀ до I и соответственно от х = 0 до l-толщины слоя системы получим

ln (I₀ / I_п ) =  l или I_п=I₀ e^‑ l, (3.4)

где I_п – интенсивность света, прошедшего через систему.

Мутность связана с оптической плотностью D соотношением

D = ln (I₀ / I_п ) =  l. (3.5)

Преимущество турбидиметрического метода исследования состоит в простоте подготовки и проведения измерений. Для турбидиметрических измерений можно использовать широко распространенные фотоэлектроколориметры, предназначенные для определения оптической плотности цветных молекулярных растворов. Точность турбидиметрического метода небольшая, поскольку интенсивность рассеяния (относительно малая величина) определяется по разности двух больших значений интенсивностей падающего и проходящего света. Применение метода ограничивается золями, отличающимися сравнительно высокой мутностью [2].

Нефелометрия

Нефелометрический метод исследования основан на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсной системой. Более высокая чувствительность и точность этого метода по сравнению с достигаемой в турбидиметрии позволяют определить не только концентрацию и размер частиц в золях, но и форму частиц, межчастичные взаимодействия и другие свойства дисперсных систем. В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея. Для измерения используются специальные приборы – нефелометры.

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба (рассеянный свет) и его красный цвет, когда солнце находится низко над горизонтом, а его лучи проходят большой слой рассеивающей среды (проходящий свет) [2].