Явление рассеяния света
В 1857г. М. Фарадей и в 1869 г. Дж. Тиндаль наблюдали одно и тоже явление - образование конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор. Когда большая длина волны встречается с маленькой частицей, то происходит дифракция (светорассеяние) – эффект или конус Тиндаля.
Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции - матовое свечение (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещение золей.
Следует различать дифракцию света частицами, не проводящими и проводящими электрический ток.
Рассеяние света обусловлено изменениями плотности и концентрации, из-за непрерывного возникновения и исчезновения ассоциатов. В совершенно однородной среде свет не должен рассеиваться.
В соответствие с принципом Гюйгенса каждую точку среды, до которой дошел свет, можно рассматривать как новый источник колебания. Вторичные колебания усиливают друг друга в направлении распространения волны и гасят их в других направлениях.
Английский физик Дж. Рэлей в 1871 году создал теорию опалесценции для сферических, непоглощающих свет частиц, по размерам не больше 0,1 длины волны. Под влиянием электромагнитного поля волны падающего света электроны в рассеивающей частице начинают совершать вынужденные колебания, в результате которых происходит излучение света во всех направлениях.
Если частица мала в сравнении с длиной волны света, то все колебания можно рассматривать как колебания одного электрического наведённого диполя. Он излучает колебания с частотой волны, равной частоте волны падающего света (т.е. частота рассеянного света совпадает с частотой падающего).
Поскольку индуцированный (наведённый) диполь равен произведению напряжённости поля на поляризуемость частицы α:
Р=αЕ,
где α-поляризуемость частицы, Е- напряженность, то интенсивность рассеянного света определяется α и Е.
1. Поляризуемость в свою очередь зависит от соотношения между показателями преломления дисперсной фазы n1 и дисперсионной среды n2 и пропорциональна объёму частицы, отсюда следует, что интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату поляризуемости (α2) и значит зависит от квадрата объема (V2) частицы (4/3 πr3)2 и радиусу в шестой степени (r6). Таким образом, с ростом размера частицы рассеивание сильно увеличивается.
2.Напряженность (Е) отражает энергию падающего света и равна плотности потока энергии. Напряжённость пропорциональна квадрату амплитуды волны (А2), излучаемой электрическим диполем. Амплитуда пропорциональна квадрату частоты колебаний диполя. Отсюда интенсивность рассеянного света пропорциональна частоте колебаний диполя в 4ой степени и обратно пропорциональна длине волны (λ) в 4ой степени. Таким образом, лучи с меньшей длиной волны сильнее рассеивают свет.
При рассеянии белого света дисперсной системой с мелкими частицами рассеянный свет оказывается голубым, а проходящий – красноватым. Этими же явлениями объясняется голубой цвет неба и красноватый цвет заката.
Согласно теории Рэлея частицы в дисперсионной среде находятся далеко друг от друга, что можно пренебречь вторичным рассеянием.
- уравнение Рэлея,
где I - общее количество световой энергии, рассеянной единицей объема;
ν- число частиц в единице объема;
V – объем частицы;
λ - длина волны падающего света;
А - амплитуда колебаний излучения;
n1 и n2 - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды соответственно.
Или уравнение Рэлея может иметь вид:
,
где с - массовая концентрация дисперсной фазы;
ρ - плотность золя;
Ip -интенсивность рассеянного света;
I0 – интенсивность падающего света.
Из уравнения Рэлея следует, что интенсивность рассеивания увеличивается с ростом объема частиц и с ростом концентрации. Чем выше интенсивность падающего света, тем выше интенсивность рассеиваемого света. Лучше рассеивается коротковолновая составляющая видимого света.
Если падающий свет не поляризован, то интенсивность рассеянного света пропорциональна (1+cos2θ), где θ - угол света с направлением потока падающего света.
Зависимость интенсивности рассеянного света Ip от угла рассеяния θ для естественного света изложена в теории Ми и представлена векторными диаграммами. Ми разработал более полную теорию с формулами для дисперсных систем всех степеней дисперсности и больших размеров (более 0,1λ). Он учёл, что при больших размерах наряду с электрическими полями возникают и магнитные, что осложняет картину рассеивания света. Максимальное рассеивание, по теории Ми, наблюдается в диапазоне размеров частиц от 1/4 до 1/3 λ. Данная теория подходит для систем не отвечающих закону Рэлея. По теории Ми, рассеянный свет всегда частично поляризован, даже если падающий свет не является таковым. При отклонении рассеянного света на 90° он является полностью поляризованным.
Уравнение Релея с учетом того, что рассеянный свет является поляризованным, выглядит следующим образом:
,
где 
- функция от показателей преломления.
Уравнение Релея не выполняется с частицами, поглощающими свет. С ростом размеров частицы изменяются и закономерности поляризации света.
В частице, проводящей электричество (сферические частицы), в которой возникает электромагнитное поле. Вследствие преобразования электрической энергии в тепловую – выделение джоулевого тепла, электромагнитные волны поглощаются.
Опалесценция внешне сходна с флуоресценцией, которая характерна для истинных растворов некоторых красителей (флуоресцина, эозина и др.) При наблюдении раствора таких красителей в отраженном свете он имеет иную окраску, чем в проходящем. Здесь можно наблюдать эффект Тиндаля.
Различия между явлениями опалесценции и флуоресценции:
| опалесценция | флуоресценция | |
| - длина волны рассеянного света такая же как и падающего; | - внутримолекулярное явление, которое заключается в селективном поглощении света и трансформации его в луч с большей длиной волны; | |
| - опалесценцию возбуждает любой свет, родоначальник – опал. | - обусловлена светом определённой волны, характерной для данного флуоресцирующего вещества. |
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1897;