9.8. Световая микроскопия.

9.8.1. Световая микроскопия.

Светорассеяние и нефелометрия являются косвенными методами измерения размера частиц, основанными на оптических свойствах дисперсных систем. Возникает вопрос, существуют ли прямые методы, то есть можно ли увидеть коллоидную частицу. При наблюдении системы в обычный микроскоп в проходящем свете коллоидная частица не видна, так как размер частицы меньше длины волны и световая волна огибает частицу.

Световой микроскоп характеризуется пределом разрешения , т. е. минимальным расстоянием между точками, которые различимы при наблюдении в микроскоп. Предел разрешения микроскопа в вакууме зависит от длины волны и от используемой доли дифракционной картины, собираемой микроскопом, т. е. величины угла , образуемого двумя прямыми линиями, проведенными от объекта к крайним точкам объектива. Этот угол называется апертурным углом.

Двойка в знаменателе появляется потому, что берут половинное значение угла.

При наблюдении в микроскоп в среде с показателем преломления предел разрешения микроскопа равен:

Произведение называется численной апертурой.

Для светового микроскопа максимальное значение апертурного угла равно 90⁰. Следовательно, предел разрешения светового микроскопа для видимого света с длиной волны равен:

Поэтому коллоидные частицы размером 10^-8 м нельзя увидеть в световой микроскоп.

Другой характеристикой светового микроскопа является полезное увеличение, которое равно отношению предела разрешения человеческого глаза к пределу разрешения микроскопа . При хорошем зрении можно различить точки, находящиеся на расстоянии 0,2 мм. Следовательно,

.

Не имеет смысла конструировать световые микроскопы с увеличением свыше 1000 из-за возможностей человеческого глаза.

Помимо разрешающего расстояния, видимость объекта может лимитироваться недостаточным оптическим контрастом, то есть соотношением между яркостью объекта и фоном. Контрастность изображения в световом микроскопе (в проходящем свете) определяется поглощением световых волн. Сильно поглощающие свет участки объекта выглядят в поле микроскопа более темными.

9.8.2. Темнопольная микроскопия.

С помощью ультрамикроскопа нельзя непосредственно наблюдать частицы, а можно только обнаружить их присутствие, подсчитать их и исследовать их движение. В ультрамикроскопе используют явление рассеяния света, видят не саму частицу, а свет, рассеянный частицей.

В основе ультрамикроскопа лежит принцип темнопольной микроскопии. При темнопольном освещении в объектив попадает не прямой свет, а свет, рассеянный объектом.

Если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды сильно различаются и освещение достаточно интенсивно, то частицы наблюдаются в виде крупных светлых пятен на темном фоне. Таким путем можно видеть лиофобные частицы размером от 5 до 10 нм. Показатель преломления лиофильных частиц незначительно отличается от показателя преломления дисперсионной среды вследствие сольватации, поэтому их нельзя наблюдать методом темнопольного освещения.

Существуют два технических варианта темнопольного освещения: щелевой ультрамикроскоп и конденсор темного поля. В щелевом ультрамикроскопе образец освещается сбоку интенсивным пучком света от дуговой лампы (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Схема щелевого ультрамикроскопа.

Если образец однороден, то в микроскопе будет темное поле. Коллоидный раствор виден в виде светлых точек на темном поле.

Конденсор темного поля является оптическим устройством для получения пустотелого конического пучка света. Световой пучок блокирован круглым экраном, который предотвращает попадание прямого пучка в объектив. Образец помещается в вершине конуса, где интенсивность света максимальна (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Схема конденсора темного поля.

Темнопольная микроскопия позволяет изучать броуновское движение, седиментационное равновесие, электрофоретическую подвижность, флокуляцию, определять среднечисленные размеры частиц путем их подсчета при известной концентрации дисперсной фазы, полидисперсность, асимметрию частиц. Асимметрия частиц устанавливается следующим образом. Сферическая частица, совершая броуновское движение, всегда рассеивает свет полусферой. Поэтому в случае сферических частиц всегда видны светящиеся точки. Если частица имеет сильно вытянутую, палочкообразную форму, то она рассеивает свет в зависимости от ее ориентации по отношению к направлению пучка света. Поэтому в поле микроскопа видны вспышки, сцинтилляции, которые указывают на отклонение формы частицы от сферической.

С помощью ультрамикроскопа можно определить размеры частиц или их численную концентрацию. В окуляр микроскопа вставляют окулярную сетку со стороны ячейки, равной . Если – глубина изображения, то объем ячейки равен , а численная концентрация , где – число частиц.