2. Светорассеяние токопроводящими частицами

При освещении металлических золей интенсивность светорассеяния с уменьшением длины волны падающего света не возрастает, а проходит через максимум, характерный для каждого металла. С ростом радиуса частицы максимум сдвигается в сторону коротких волн. Эта особенность проводящих частиц связана со специфическим поглощением волн определенной длины, в результате чего зависимость от и нарушается, а также меняется степень поляризации рассеянного света.

Электромагнитное поле световой волны индуцирует в проводящей частице электродвижущую силу, в результате чего в ней возникает переменный электрический ток. Он вызывает преобразование электрической энергии в тепловую, т.е. происходит поглощение частицей энергии световой волны. При этом короткие электромагнитные волны практически полностью поглощаются.

Оптические методы определения размеров коллоидных частиц, основанные на явлении рассеяния света. Турбидиметрия.

Явление рассеяния света лежит в основе ряда оптических методов определения концентрации частиц дисперсной фазы и размеров частиц: ультрамикроскопии, нефелометрии, турбидиметрии .

Ультрамикроскопия отличается от обычной микроскопии боковым освещением дисперсной системы, при этом наблюдают свет, рассеянный отдельными частицами. На темном фоне они кажутся отдельными светящимися точками. Кажущийся диаметр частицы равен сумме ее действительного диаметра и разрешающей силы микроскопа. Метод позволяет рассчитывать число частиц, определять их размер ( до 2 – 3 нм) и наблюдать движение частиц. В современных приборах все операции автоматизированы. Одной из отечественных разновидностей таких приборов является поточный ультрамикроскоп Б.В. Дерягина и Г.Я. Власенко.

Вспышка отдельных частиц, проходящих в потоке золя по освещенной зоне, регистрируется счетчиком.

Метод нефелометрии основан на измерении интенсивности света рассеянного коллоидным раствором. Метод применяют для определения концентрации и размеров частиц, и реже – их формы. Для этой цели используют нефелометры /I, с. 265/. Определение численной концентрации частиц основано на пропорциональной интенсивности света, рассеянного некоторым объемом коллоидного раствора , общему числу рассеивающих частиц в данном объеме, .

Уравнение Рэлея представляют в виде

где (4)

K – константа, объединяющая все параметры в уравнении (2), остающиеся постоянными.

При = const

(5)

При = const

= (6)

Таким образом, имея стандартные золи (или градуировочные кривые), можно определить размер частиц или численную концентрацию золя. Метод нефелометрии широко используется для определения молекулярной массы макромолекулы /I, с. 263 - 264/.

Турбидимитрия основана на измерении интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему.

Изменение интенсивности света, проходящего через любую среду ,подчиняется закону Ламберта – Бера:

где (7)

- интенсивность прошедшего света;

- интенсивность падающего света;

e – толщина слоя среды;

- экстинкция, или коэффициент ослабления.

При ослаблении луча света >0 к средам в которых <0, относятся лазерные среды. Причинами ослабления луча света могут быть рассеяния света или его поглощения. Поглощение света может происходить при переходе световой энергии в тепловую (абсорбция света), химическую энергию (фотохимические реакции), электрическую (фотоэлементы) и в другие виды энергии.

Если ослабление луча света происходит в результате рассеяния света, то коэффициент характеризует способность системы рассеивать свет и называется мутностью. Если изменения интенсивности света обусловлено его абсорбцией, то характеризует способность системы поглощать свет и называется коэффициентом поглощения. Употребляется также и название, данное под уравнением (7).

Считая рассеянный свет фиктивно поглощенным, мутность связывают с оптической плотностью Д коллоидного раствора:

(8)

принимая, что поглощение света коллоидным раствором полностью соответствует закону Бугера – Ламберта – Бера для молекулярных растворов:

(9)

С-молярная концентрация истинного раствора;

- молярный коэффициент поглощения.

Принимая во внимание относительно малую интенсивность рассеянного света по сравнению с падающим, мутность золя выражают отношением

(10)

Тогда мутность, а следовательно и плотность, пропорциональны, в соответствии с уравнением (2), концентрации частиц и квадрату объема частицы. Эта зависимость и используется в методе турбодиметрии для определения размеров частиц и их концентрации.

Поскольку оптическая плотность раствора ( а следовательно и ) зависит от длины волны, то используется монохроматическое излучение ( фотоэлектроколориметры снабжены светофильтрами) и обязательно указывается длина волны, при которой определена оптическая плотность: D

Для расчета радиуса частиц сферической формы при , принимая , из уравнения (2) Рэлея получают уравнение:

(11)

Его используют при работе с «белыми золями» малых концентраций. При этом содержание дисперсной фазы в коллоидном растворе (величина С в уравнении II) должно быть известно. Методом последовательных разбавлений готовят серию растворов с известными значениями концентраций частиц и измеряют с помощью фотоэлектроколориметра их оптическую плотность, использую красный светофильтр. По уравнению (8) рассчитывают мутность растворов J и строят график в координатах . Экстраполяцией находят по графику значение при С=0. Подставляя полученное значение в уравнении (II), рассчитывают радиус частиц. Длину волны в данной среде рассчитывают как , где =1,333 – показатель преломления воды, являющейся дисперсионной средой.

Чаще приходится иметь дело с растворами, в которых размер частиц превышает пределы применимости закона Рэлея.