Ультрамикроскопия

При прохождении узкого пучка света через кюветы c раствором в темном помещении рассеяние наблюдается в виде светящегося следа луча (конуса Тиндаля – рис.2). В разбавленном коллоидном растворе прозрачных веществ (стекла в воде и т. д.), освещенном 6eлым светом, рассеяние проявляется как слабое голубоватое свечение раствора (опалесценция). Интенсивность рассеянного в данном направлении света (при постоянных параметрах падающего света) зависит от числа рассеивающих частиц и их размера. Коротковолновая составляющая белого (немонохроматического) света рассеивается коллоидными частицами сильнее длинноволновой, поэтому образованный им конус Тиндаля в непоглощающем золе имеет голубой оттенок.

Эффект Тиндаля, по существу, то же, что опалесценция. Но традиционно первый термин относят к интенсивному рассеянию света в ограниченном пространстве по ходу луча, а второй - к слабому рассеянию света всем объемом наблюдаемого объекта.

Р и с. 2. Схема светорассеяния в истинном и коллоидном растворах

В очень разбавленном растворе можно с помощью ультрамикроскопа сосчитать число светящихся частиц (точек) в слое известного объема и тем самым определить частичную концентрацию.

Ультрамикроскоп - оптический прибор для обнаружения мельчай-ших (коллоидных) частиц, размеры которых меньше предела разрешения обычных световых микроскопов. Возможность обнаружения таких частиц с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них эффектом Тиндаля. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюда-телем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах очень мало света, поэтому в ультрамикроскопе применяют, как правило, сильные источники света. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды можно обнаружить частицы размерами от 20-50 нм и до 1-5 мкм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц. Ультрамикроскоп не дает оптических изображений исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп, можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучить их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известны их весовая концентрация и плотность.

В схеме щелевого ультрамикроскопа (рис. 3) исследуемая система неподвижна. Кювета 5 с исследуемым объектом освещается источником света 1 (2 – конденсатор, 4 – осветительный объек-тив) через узкую прямоу-гольную щель 3, изобра-жение которой проециру-ется в зону наблюдения. В окуляр наблюдатель-ного микроскопа 6 видны светящиеся точки частиц, находящихся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается. В поточном ультра-микроскопе (рис. 4) изу-чаемые частицы движут-ся по трубке навстречу глазу наблюдателя. Пере-секая зону освещения, они регистрируются как яркие вспышки визуа-льно или с помощью фотометрического устро-йства.
Р и с. 3. Принципиальная схема щелевого мик- роскопа
Р и с. 4. Принципиальная схема поточного мик- роскопа

Регулируя яркость освещения наблюдаемых частиц подвижным фотометрическим клином 7, можно выделять для регистрации частицы, размер которых превышает заданный предел. С помощью современного поточного ультрамикроскопа с лазерным источником света и оптико-электронной системой регистрации частиц определяют концентрацию частиц в аэрозолях в пределах от 1 до 109 частиц в 1 см3, а также находят функции распределения частиц по размерам.

Ультрамикроскопы применяют при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха, воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.