§ 4. Оптические свойства коллоидных систем
При прохождении через дисперсную систему свет отражается, поглощается или рассеивается частицами. Рассеяние света наблюдается в том случае, когда длина волны видимого света больше диаметра частицы дисперсной фазы. Отражение света частицами наблюдается, если размеры частиц превышают длину волны, т.е. в грубодисперсных системах. Коллоидные частицы по размеру меньше или соизмеримы с длинами волн видимого света, поэтому световые лучи от них не отражаются и они не видны в оптическом микроскопе. Для коллоидных частиц наблюдается только светорассеяние. Это можно проследить на следующем опыте. Если на прозрачный коллоидный раствор в сосуде (рис. 7) направить пучок световых лучей и наблюдать его сбоку на темном фоне, то можно увидеть в жидкости светлый конус. Это так называемый эффект или конус Тиндаля.
Рис. 9. Прохождение света через истинный раствор и коллоид.
Пучок света проходит через раствор, не рассеиваясь (а); коллоидные частицы рассеивают проходящий через раствор пучок света, в результате он становится видимым (б); диффузный пучок света не дает на экране четкого изображения
Рассеяние света мелкими частицами впервые описал М.В. Ломоносов, затем в 1857 г. исследовал М. Фарадей. Д. Тиндаль в 1869 г., изучая природу туманов, обнаружил светящийся в жидкости конус, названный его именем. Эффект Тиндаля теоретически был описан английским физиком Д. Рэлеем. Он установил, что интенсивность светорассеяния зависит не только от размеров коллоидных частиц и длины световой волны, но и от объема частиц растворенного вещества. Если допустить, что раствор достаточно разбавлен, что коллоидные частицы шарообразны, не поглощают свет, не электропроводны, то интенсивность светорассеяния по Рэлею будет иметь следующий вид:
где I – интенсивность света, рассеянного единицей объема золя;
Io – интенсивность падающего света;
К – константа для данного золя, зависящая от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;
n – число частиц в единице объема;
V – объем одной частицы дисперсной фазы;
– длина волны падающего света.
Уравнение Рэлея справедливо для непроводящих частиц. Так как интенсивность светорассеяния пропорциональна квадрату объема частиц, то для растворов с частицами очень незначительного объема или равного объему частиц растворителя, светорассеяние практически не наблюдается. Обратная пропорциональность рэлеевского рассеяния четвертой степени длины волны падающего света показывает, что рассеяние коротких волн (УФ часть спектра) происходит более интенсивно. Отсюда следует, что при освещении золей белым проходящим светом, они приобретают красноватый, а при боковом освещении -голубоватый оттенок. С этим связан красноватый цвет при восходе и заходе Солнца за счет прошедшего через атмосферу света. Красный цвет выбран в качестве сигнала опасности именно потому, что он виден в туманную погоду на большие расстояния, чем любой другой вследствие малого рассеяния. Голубой цвет неба и синий цвет морской воды также объясняется светорассеянием коллоидных аэро- и гидрозолей.
На явлении рассеяния света коллоидными частицами были основаны важные методы изучения коллоидных систем: ультрамикроскопия и нефелометрия.
Ультрамикроскопия. Отражение света поверхностью частиц возможно при условии, если их размеры превышают длину волны, т.е. в грубодисперсных системах. Коллоидные же частицы, имеющие размеры 10-7–10-5 см, соизмеримы с длинами волн видимого света (3,9·10-5 – 7,6·10-5 см). В связи с этим свет не отражается от них, и они не видны в обычные оптические микроскопы, так как световые волны огибают коллоидные частицы и не дают тени, а рассеянная часть света очень незначительна и в условиях проходящего света не заметна. Если же использовать сильное боковое освещение, то каждая коллоидная частица становится источником рассеянного света и на темном фоне наблюдается в виде светящейся точки. Прибор, при помощи которого можно увидеть эффект рассеяния света отдельными коллоидными частицами, называется ультрамикроскопом. Ультрамикроскоп сконструирован в 1903 г. Г. Зидентопфом и Р. Зигмонди. Принцип работы ультрамикроскопа сводится к наблюдению в нем конуса Тиндаля. Свет от осветителя не попадает в объектив микроскопа, а также в глаз наблюдателя, поэтому фон поля зрения ультрамикроскопа темный и в нем заметен слабый свет, рассеиваемый коллоидными частицами. Видны светящиеся точки, яркость которых зависит от интенсивности падающего света, поэтому применяются более яркие источники света.
Ультрамикроскопия позволяет изучать кинетические свойства коллоидных растворов (например, броуновское движение), определять число частиц в единице объема. Зная общую массу диспергированного вещества и, определив число частиц в единице объема, можно вычислить массу одной частицы, а затем определить ее размер и объем. Найденное значение размера частиц отвечает среднему размеру.