Оптические свойства коллоидных систем

Оптические свойства коллоидных систем определяются их гетерогенностью и дисперсностью. Изучение оптических свойств позволяет решить множество задач, например, можно определить наличие коллоидных частиц, их размер, форму, концентрацию.

5 видов взаимодействия световой волны с веществом:

1. Поглощение;
2. Преломление;
3. Рассеяние;
4. Отражение;
5. Пропускание

Но в зависимости от длины волны и размеров частиц преобладают определенные виды:

Если в системе нет никаких частиц с другим показателем преломления, то система будет считаться оптически пустой и рассеяния не будет. Если есть, то электрическое поле волны будет возбуждать электроны и начнется испускание света, при этом длина волны падающего света будет совпадать с рассеянным. В дисперсных системах источниками рассеяния света являются частицы дисперсной фазы.

Эффект Тиндаля — оптический эффект, рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

Видео:Оптические свойства дисперсных системСкачать

Теория светорассеяния Рэлея​

Настоящее имя Рэлея Джон Уильям Стретт, Лорд Рэлей. Рэлей открыл открыл аргон.

Рэлей рассматривал свою теорию для дисперсных частиц, размер которых примерно равен $0.1\lambda$. Эти частицы имеют сферическую форму, не поглощают свет — есть только рассеяние, концентрация этих частиц достаточно мала, чтобы эффекты отдельных частиц не взаимодействовали друг с другом.

Уравнение Рэлея

где:

• J_0J0​ — интенсивность падающего света;
• $\lambda$ — длина волны падающего света;
• $V$ — объем одной частицы дисперсной фазы;
• $\nu$ — частичная концентрация (число частиц в единице объема);
• n_1n1​ — показатель преломления дисперсной фазы;
• n_0n0​ — показатель преломления дисперсионной среды;
• $х$ — расстояние до наблюдения;
• $\alpha$ — угол, под которым наблюдается рассеяние.

В общем случае уравнение Рэлея упрощается к виду

где $K$ — константа прибора

Видео:Практическое занятие 2. Оптические свойства дисперсных системСкачать

Анализ закона Рэлея​

Интенсивность рассеянного света:

1. Сильнее всего зависит от длины волны.
   $$J=f(\lambda )\lambda \downarrow ⟶J\uparrow$$

   Красный свет рассеивается меньше всего, поэтому все сигнальные огни — красные, все маскировочные — синие.

2. Зависит от разницы в показателях преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды.
   J_0=f(n_1-n_0)J0​=f(n1​−n0​)

   Чем больше разница — тем сильнее рассеяние.

3. Зависит от размера частиц дисперсной фазы.
4. От концентрации
   $$J=f(\nu )$$

Видео:2.3. Оптические свойства дисперсных системСкачать

Нефелометрия​

Нефелометрия — метод изучения рассеянного света дисперсной системы под определенным углом.

Упрощенное уравнение Рэлея

Обычно проводят два опыта для сравнения экспериментального значения со стандартным.

Видео:2.2. Молекулярно кинетические свойства дисперсных системСкачать

Ультрамикроскопия​

Ультрамикроскопия — оптический метод изучения, который основан на регистрации рассеяния от каждой частицы дисперсной фазы. Ультрамикроскоп позволяет наблюдать частицы коллоидных размеров. 1903г. Зигмонди Рихард сконструировал ультрамикроскоп (1925г. — Нобелевская премия).

Схема работы светового микроскопа: прямой ход лучей

где $\ast$ — источник света.

Схема работы ультрамикроскопа:

В ультрамикроскопе наблюдается свет рассеянный каждой коллоидной частицей — на черном фоне светящиеся точки.

С помощью ультрамикроскопа можно определить:

• наличие коллоидных частиц;
• форму частиц. Ровный световой ареол — сферическая форма, мерцание — сложная поверхность;
• можем посчитать число частиц $\Rightarrow$ концентрацию частиц;
• размер частиц.

$V$ — объем системы, который виден в поле прибора

$C$ — весовая концентрация

Масса дисперсной фазы вычисляется уравнением

где $n$ — число частиц

Видео:СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ - урок 1Скачать

Поточный ультрамикроскоп (Дерягин и Власенко)​

Поток золя протекает через кювету, на которую направлен свет. Происходят вспышки каждой коллоидной частицы в ультрамикроскопе, которые автоматически регистрируются. Используется для определения дисперсности системы.

Видео:Калужских А.Г. Лекция №5 «Оптические свойства дисперсных систем»Скачать

Электронная микроскопия​

Разрешающая способность микроскопа — величина, обратная минимальному расстоянию между 2 точками, которые можно видеть независимо друг от друга.

где $n$ — показатель преломления среды.

Длина волны видимого спекта от 4cdot10^{-5}4⋅10−5 до 7.6cdot10^{-5}7.6⋅10−5 см.

Для увеличения разрешающей способности используют иммерсионный метод.

Иммерсионный метод микроскопического наблюдения заключается во введении жидкости между объективом микроскопа и рассматриваемым предметом для усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения.

Видео:Коллоидные растворы. Дисперсные системыСкачать

Окраска коллоидных систем​

Причины окраски:

• рассеяние света;
• поглощение.

Система окрашивается в свет — дополнительный к поглощенному.

Похоже на поглощение света в истинных растворах: уравнение Бугера-Ламберта-Бэра:

Поглощение света зависит от размера частиц (или от ее дисперсности) — чем меньше размер частицы, тем более короткие длины волн могут быть поглощены. Золь $Au$:

Цвет системы зависит от размера частиц. Кроме того интенсивность поглощенного света тоже зависит от размера частиц (дисперсности системы).

Флюоресценция — поглощение определенной длины волны и преобразование в волны большей длины.

Опалесценция — различие окраски систем в зависимости от угла наблюдения. Рассеиваются волны разной длины.