колды / Konspekt_lektsiy_Kolloidnaya_khimia_5_semestr
.pdf
Оптические свойства дисперсных систем (3)
Рассеяние света в дисперсных системах (2)
Статическое (упругое) светорассеяние
Используются:
1.Теория Рэлея (1871 г) (при d < λ/20).
2.Теория Рэлея–Ганса-Дебая при
λ/20 < d < λ.
3. Теория Ми при d ~ λ.
Измеряется усредненная во времени общая интенсивность рассеянного света, как функция угла рассеяния.
Определяют массу и характерный линейный размер частиц, а также по угловой зависимости интенсивности можно получить информацию о форме и внутренней структуре частиц.
Динамическое (квазиупругое) светорассеяние
Два варианта метода:
1. Метод квазиупругого рассеяния -
основан на анализе спектра рассеянного света по сравнению со спектром источника (эффект Доплера).
2. Метод фотон-корреляционной спектроскопии – основан на измерении автокорреляционной функции интенсивности рассеянного
света.
Определяют коэффициенты диффузии частиц, размер частиц и распределение по размерам.
4
Оптические свойства дисперсных систем (4)
Теория Рэлея (1)
Теория Рэлея используется при следующих условиях:
1.Дисперсная фаза является диэлектриком. Частицы сферические.
2.Вторичным рассеянием можно пренебречь (частицы находятся далеко друг от друга). Используется неполяризованный свет.
3.Размер частиц не превышает 0,05λ длины волны падающего света.
4.Коэффициент преломления дисперсной фазы близок к единице.
Уравнение Рэлея:
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
||||
I = |
9 |
|
|
F |
V |
|
|
(1+ cos2 )I0 ; |
F = |
n1 |
|
− n0 |
|
|
|
|
|
||||||
2 |
|
4 R2 |
|
|
|
|
+ 2n |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n2 |
|
2 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
I = 24 |
3 F |
V 2 |
I = 24 3F |
cVV |
|
I ; |
|
= |
Isc |
= 24 3 F |
cVV |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
4 |
4 |
|
I0 |
4 |
||||||||||||||||
|
|
|
sc |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5
Оптические свойства дисперсных систем (5)
Теория Рэлея (2)
Турбидиметрия
Измерение оптической плотности исследуемой системы.
D = lg |
I0 |
= |
1 |
l |
|
|
|||
|
It |
2,3 |
|
|
Закон Бугера-Ламберта-Бера
Схема фотоэлектрокалориметра: 1 – источник света; 2 – зеркала;
3 – кювета с исследуемой системой и кювета сравнения; 4 – призмы.
Нефелометрия
Измерение интенсивности рассеянного света как функции угла рассеяния.
I |
|
= 24 3 F |
V 2 |
I |
|
= 24 3F |
cVV |
I |
|
|
sc |
4 |
0 |
4 |
0 |
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение Рэлея
Схема нефелометра:
1 |
– источник света; |
|
2 |
– зеркала; |
|
3 |
– кювета |
|
с исследуемой системой |
|
|
и кювета сравнения; |
|
|
4- призмы; |
|
|
5 |
– подвижные экраны. |
6 |
|
|
|
Оптические свойства дисперсных систем (6)
Турбидиметрический метод
Ослабление интенсивности света за счет рассеяния при прохождении пути dx:
−dI = Idx
- коэффициент пропорциональности, характеризующий способность системы рассеивать свет (мутность).
Проинтегрируем в пределах от I0 до Iп и соответственно от х = 0 до толщины слоя l:
|
|
It |
dI |
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
= − |
|
dx; |
ln It |
− ln I0 = − l; It = I0 exp (− l ) |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
I |
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
I0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 |
|
|
|
|
|
l |
|
|
2,3D |
|
|
|
|||||
|
ln |
|
= l; 2,3lg |
|
|
= 2,3D = l; D = |
|
|
; = |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
It |
|
|
|
|
|
|
|
|
It |
|
2,3 |
|
l |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Isc |
|
||
Из баланса: It |
= I0 − Isc ; делим на I0 |
и логарифмируем: −2,3D = ln 1 |
− |
|
||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Isc |
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 |
||||
При Isc |
I0 |
, |
2,3D |
|
|
= |
|
Isc l |
= l; = |
2, 3D |
|
|
|
|
|
7 |
||||||||||||
|
I0 |
|
I0 |
l |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Оптические свойства дисперсных систем (7)
Определение размеров частиц турбидиметрическим методом (метод Рэлея)
Условия применения метода:
1.Ослабление интенсивности света происходит только за счет рассеяния.
2.Отсутствие поглощения и вторичного светорассеяния.
3.Частицы являются диэлектриком.
4.Диаметр частиц не превышает 0,05λ.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
2,3D |
= 24 3 F |
V 2 |
I |
|
= 24 3F |
cVV |
|
|
I |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
При V = const, |
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При cV = const, |
|
|
|
|
D1 |
|
|
V1 |
3 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d1 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
= |
|
|
1 |
|
= |
V 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(объемная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
(размер частиц) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
V |
|
d 3 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
D2 |
2 |
cV 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
концентрация золя) |
|
|
2 |
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определение радиуса частиц: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Isc |
|
3 |
|
cVV |
|
|
|
4 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
1/3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
= |
|
|
= 24 |
|
F |
|
|
; V = |
|
|
|
r |
; r = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; r = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
= lim |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
I0 |
|
|
3 |
|
|
32 |
4 |
cV F |
|
32 |
4 |
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cV |
0 |
|
|
cV |
0 |
|
cV →0 cV |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
8
Оптические свойства дисперсных систем (8)
Определение размеров частиц турбидиметрическим методом (метод Геллера)
Условия применения:
1.Падение интенсивности света происходит только за счет рассеяния.
2.Показатели преломления частиц и среды различаются незначительно.
3.Диаметр частиц лежит в интервале от 0,05λ до 0,33λ.
|
|
8 r |
; |
|
|
vac.max + vac.min |
|
D = k −m |
Z = |
av |
= |
||||
|
2n |
||||||
|
|
av |
|
||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
m |
Z |
m |
Z |
|
|
|
|
|
|
3,812 |
2,0 |
2,807 |
5.5 |
|
3,686 |
2,5 |
2,657 |
6,0 |
|
3,573 |
3,0 |
2,533 |
6,5 |
|
3,436 |
3,5 |
2,457 |
7,0 |
|
3,284 |
4,0 |
2,379 |
7,5 |
|
3,121 |
4,5 |
2,329 |
8,0 |
|
2,960 |
5,0 |
- |
- |
9 |
|
|
|
|
Оптические свойства дисперсных систем (9)
Определение молекулярной массы полимеров нефелометрическим методом (метод Дебая)
Метод применим для разбавленных растворов гибкоцепных полимеров, в предположении, что рассеивающими центрами являются сами макромолекулы, которые не взаимодействуют между собой.
|
Hc |
= |
1 |
+ 2 A2c |
|
32 3n02 |
(n − n0 ) / c 2 |
|
|
M |
H = |
||||
|
|
|
3 4vac NA |
||||
Уравнение Дебая |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Мицеллярная масса ПАВ Число агрегации
H (c − KKM ) |
= |
1 |
+ 2A (c − KKM ); |
m = M |
|
M |
|
|
mic |
||||
- KKM |
2 |
|
|
|||
Mmic |
|
|
|
|||
Метод является абсолютным, не требует калибровки. Позволяет определить |
|
среднеобъемное (массовое) значение массы (или размера) частицы, оценить |
|
форму и конформацию макромолекул полимера. |
10 |
Оптические свойства дисперсных систем (10)
Методы динамического (квазиупругого) светорассеяния
Анализ спектра рассеянного света по сравнению со спектром источника
Спектр рассеянного света представляет собой пик, описываемый уравнением распределения Лоренца.
|
4 n |
|
|
||
1/2 = Dq2 ; q = |
0 |
sin |
|
|
|
0 |
2 |
||||
|
|
|
|||
Уширение спектра рассеянного света (эффект Доплера)
ω0 – частота источника излучения
Фотон-корреляционная спектроскопия
Автокорреляционная функция интенсивности рассеянного света:
G( ) = I (t) I (t + ) |
|
|||||
G( ) |
|
|
|
2 |
|
|
= |
|
− |
|
|||
2 |
|
|||||
A + B exp |
c |
|
||||
I |
|
|
|
|
||
|
|
= |
1 |
; D = |
kБT |
; D = |
kБT |
|
c |
Dq2 |
B |
6 r |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
11
Оптические свойства дисперсных систем (11)
Метод фотон-корреляционной спектроскопии (1)
Схема спектрометра динамического рассеяния света
www. photocor.ru
(1) He-Ne лазер; (3) фокусирующий узел; (5) оптическая скамья;
(6) жесткое основание; (7) термостат; (8) адаптер кювет; (10) прецизионный гониометр; (11) поворотная консоль гониометра; (12) сменная диафрагма выбора апертуры; (13) приемная оптическая система; (14) фотоприемный блок;
(15) фотоумножитель, работающий в режиме счета фотонов,
быстрый усилитель-дискриминатор |
12 |
|
Оптические свойства дисперсных систем (12)
Метод фотон-корреляционной спектроскопии (2)
= |
1 |
; |
D = |
kBT |
|
Dq2 |
6 r |
|
|||
c |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13