Лекция 10

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Особые оптические свойства дисперсных систем обусловлены их главными признаками: дисперсностью и гетерогенностью. Наличие гетерогенности, а следовательно и межфазной поверхности раздела, изменяет направление любого потока лучей, направленных на дисперсную систему, будь то естественный свет, поток электронов, ионов, или лучей какой-то другой природы. Изменение направления лучей происходит по причине не только оптической неоднородности системы, но и многократного преломления, отражения лучей от частицы к частице.

В результате интенсивность потока лучей, даже при условии непоглощения их системой, при выходе будет всегда меньше первоначальной.

Причем, степень снижения интенсивности прошедшего через дисперсную систему потока лучей будет тем больше, чем большей будет неоднородность системы, концентрация частиц дисперсной фазы, выше ее дисперсность и объем системы. На оптические свойства в большой степени влияют размер частиц их структура и форма.

На этом основано применение оптических методов для изучения частиц в широком диапазоне их дисперсности, от невидимых в оптический микроскоп до грубодисперсных.

Эти методы являются методами исследования, утвержденными ГОСТ и применяются для контроля качества сырья, полупродуктов и произведенной продукции в пищевой промышленности.

Прохождение света через дисперсную систему сопровождается такими явлениями, как преломление отражение, поглощение и рассеяние света.

Преобладание какого-то из перечисленных оптических явлений зависит главным образом от соотношения длины волны падающего света и размера частиц дисперсной фазы.

В грубодисперсных системах размер частиц превышает длину волны видимой части спектра (40 – 70 нм), и поэтому грубодисперсные системы свет отражают, при этом они выглядят мутными.

В высокодисперсных системах частицы соизмеримы по размерам с длиной волны, в результате чего преобладает светорассеяние. В результате они опалесцируют.

Рассеянием света называют процесс преобразования света веществом, сопровождающийся изменением направления распространения света и проявляющийся как несобственное свечение вещества

Несобственное свечение обусловлено вынужденными колебаниями электронов в атомах, молекулах или ионах рассеивающей среды, возникающими под действием падающего света. Вследствие рассеяния света в оптически неоднородной среде происходит уменьшение энергии световой волны.

Впервые явления светорассеяния (опалесценции) описал М.В. Ломоносов, а более подробно изучил Фарадей и его ученик Тиндаль.

Они открыли эффект светорассеяния при пропускании пучка света через коллоидный раствор золота, отметив, что только коллоидные системы дают светящийся конус, узкий со стороны вхождения света в раствор и постепенно расширяющийся, особенно четко видимый на черном фоне. (Свет луча кинопроектора в кинотеатре – пример такого эффекта, поскольку частицы пыли являются частицами дисперсной системы Т/Г).

Молекулярные растворы и чистые вещества не дают такого эффекта, т.е. при пропускании пучка света через гомогенную среду такого явления не наблюдается.

Путем несложного визуального эксперимента поэтому можно установить, является ли система истинным раствором или коллоидным.

Теорию рассеяния света через коллоидный раствор создал Рэлей (1871г), определив, что интенсивность светорассеяния зависит от концентрации, длины волны падающего света и разности оптических свойств среды и фазы, а именно:

где Ip –интенсивность света, рассеянного единицей объема золя,

V – объем одной частицы дисперсной фазы,

n -частичная (численная) концентрация.

Анализируя у равнение Рэлея, можно сделать следующие выводы:

1.При равенстве показателей преломления частиц и среды в гетерогенной системе может отсутствовать рассеяние света.

2.Светорассеяние прямо пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы (или 6-ой степени их радиуса)

3.Рассеяние света обратно пропорционально длине волны падающего света. отсюда можно заключить, что наиболее интенсивно происходит рассеяние света малых длин волн, поэтому наиболее подвержены рассеянию голубые лучи, чем желто-красные. (на этом основано применение светомаскировочных синих огней и сигнальных красных, с этим связаны голубой цвет неба днем и красный на закате и восходе))

4.Максимальное светорассеяние происходит в системах с размером частиц < 0.1 l (2-4 10^-8 м), при более крупных частицах в растворах появляется мутность и возрастает роль отражения света.

Область применения уравнения Рэлея – разбавленные коллоидные растворы со сферическими частицами, в случае более крупных частиц другой формы Геллер определил другой показатель степени при длине волны – от4- 2, 8.

Ту область размеров частиц, для которой интенсивность рассеяния максимальна, называют Рэлеевской областью.

Для золей металлов это уравнение неприменимо, ввиду сильного поглощения ими света.

Уравнение Рэлея позволяет определить по экспериментальным данным радиус частиц, а отсюда и их объем, если известна концентрация частиц.

Может быть решена и обратная задача – при известных радиусе иобъеме –находят частичную концентрацию.

На явлении светорассеяния основаны следующие методы исследования: нефелометрии и турбидиметрии, и ультрамикроскопии.

Метод нефелометрии заключается в прямом измерении интенсивности светорассеяния позволяющем экспериментальное определить не только концентрацию и размер частиц дисперсной фазы, но и их форму.

В основе нефелометрии лежит уравнение Рэлея, применяемое в его основной форме или в виде:

причем, - мутность (t =Ip/J ₀)раствора. а С – его процентная концентрация.

Понятно, если мы будем иметь два раствора одного и того же золя с частицами одинакового размера, то при условии одинаковых объемов их мутности будут относиться между собой так же, как относятся их концентрации:

а при условии равенства концентраций объемы частиц будут также относиться между собой, как мутности:

Поэтому, если один из растворов – стандарт, то всегда можно вычислить концентрацию или объем частиц другого раствора.

Метод нефелометрии позволяет определить и форму частиц, если поток света направлять на систему под разными углами, измеряя интенсивность ее светорассеяния.

Метод нефелометрии применяют для расчета молекулярной массы ВМВ:

Из уравнения Рэлея следует,

где М – молекулярная масса ВМВ, а р– его плотность