Ультрамикроскопия

Как yжe отмечалось, размеры коллоидных частиц меньше длины волны падающего света, поэтому увидеть их в обычные оптические микроскопы невозможно. Свет, рассеиваемый коллоидными частицами, очень слаб и незаметен на фоне проходящего света. Чтобы заметить свет, рассеянный каждой коллоидной частицей, надо рассматривать коллоидную систему в микроскоп на темном фоне и при сильном боковом освещении, т.е. ис­пользуя обычный оптический микроскоп, изменить способ освещения объекта.

Прибор, позволяющий наблюдать коллоидные частицы в микроскоп на темном фоне при боковом освещении, называется ультрамик­роскопом. Таким образом, ультрамикроскопия от обычной микро­скопии отличается тем, что исследуемый объект, в частности дисперс­ная система, освещается сбоку мощным потоком света (вместо проходящего света). При этом наблюдают рассеянный свет частицами, взвешенными в среде с иным показателем преломления. По существу, образуется как бы конус Тиндаля от каждой частицы. Вследствие этого частицы кажутся светящимися точками на темном фоне, даже если их диаметр намного меньше разрешающей силы объектива микроскопа: кажущийся диаметр час­тицы равен сумме ее действительного диаметра и разрешающей силы объ­ектива микроскопа (3.24) ⁹.

(3.24)

где d – разрешение микроскопа;  - длина волны света; n – коэффициент преломления среды, в которой находится линза объектива;  - половина угла апертуры (угла между крайними лучами светового конуса, попадающего в оптический прибор) при заданном расстоянии между осветителем и объективом: К – постоянная, определяемая условиями освещения.

Интенсивность свечения частиц при ультрамикроскопии возрастает с увеличением интенсивности падающего света (освещенности поверхности частиц) и с уменьшением длины его волны. Но возможные интервалы этих параметров ограничены другими факторами, не имеющими отношения к оп­тике (например, опасностью сильного нагревания и разложения образцов).

Ультрамикроскопия применима к любым дисперсным системам независимо от агрегатного состояния фаз. В этой связи интересно отметить, что внешним поводом для открытия ультрамикроскопии явилось исследование рубиновых стекол, которое проводили австрийские ученые Зидентопф и Зигмонди. Ими в 1903 г. был сконструирован первый ультрамикроскоп. Значение этого события для развития коллоидной химии и всей науки в целом, несомненно, велико. Так, основополагающие в коллоидной химии работы Перрена и Сведберга были выполнены ими с использованием уль­трамикроскопа.

Наиболее простым является щелевой ультрамикроскоп, схема которого представлена на рис. 3.5.

Лучи света не должны попадать в окуляр и глаз наблюдателя.

В более совершенных приборах применяются специальные при способле­ния для освещения объектов исследования. Например, вместо щелевой диафрагмы, которая недостаточно использует источник света и направ­ляет его лучи на объект только с одной стороны (из-за чего искажа­ется форма частицы), широкое применение нашли конденсоры темного поля, устанавливаемые в простом микроскопе для создания бокового освещения.

Применение ультрамикроскопа позволяет наблю­дать движение частиц, определять их число, форму и размер при диаметре до 10^-9 м. Последнее означает смещение границы видимости по сравнению с простым микроскопом почти на два порядка. Поскольку наблюдают не собственно частицы, а их отб­лески, размер и форму частиц определяют косвенным путем.

а б

Рис. 3.5. Схема хода лучей в световом (а) и электронном (б) микроскопах:

1 - световой поток; 2 - конденсорные линзы; 3 – исследуемый объект;

4 - линзы объектива; 5 – промежуточное изображение; 6 – проекционные линзы (окуляр); 7 – конечное изображение; 8 – фотопластинки: 9 и 10 катод и анод электронной пушки

О форме частиц судят по характеру их свечения. Если рассеянный частицами свет испускается ровно, без мигания, это говорит о сферической форме.

Если же свечение имеет характер мерцания (то исчезает, то появляется), следует предположить палочкообразную или пластинчатую форму: такие частицы под влиянием броуновского движения непрерывно меняют свое положение, а при различном положении осей изменяется интенсивность рассеяния.

Для определения размера частиц выделяют определенный оптический объем , в котором подсчитывают среднее число частиц n. Зная общую массу частиц в пробе и соответственно их массовую концентрацию С, число частиц в единице объема - частичную концентрацию  и плотность дисперсной фазы , находят объем одной частицы  = С/ =С/n. Отсюда, условно приняв сферическую или кубическую форму частиц, найдем их размер г или по формулам (3.25), которые при известных массовых С и частичных концентрациях  можно предста-в­ить в следующем виде:

m = 4/3 pr³ρn или r = (3.25)

m = l³ρn или l = .

и . (3.26)

В общем случае для определения размера частиц используют выражение

r (или ) = , (3.27)

(где К – число постоянное).

Размер частиц можно рассчитать по измеренному расстоянию х между ними. Если принять частицы за кубики объемом ³, а пустоты между частицами за параллелепипеды объемом ²х, то размер частиц

= сх/( - с). (3.28)

Расстояние между частицами определяют с помощью окуляра-микрометра.

Ранее только опытные экспериментаторы могли получать удовлетвори-тельные результаты при ультрамикроскопических исследованиях, что было связано с большими трудностями определения параметров, входящих в расчетные формулы. Например, достаточно сложная операция - определение объема образца. Не менее сложен и очень утомителен подсчет частиц. Чтобы получить удовлетворительные результаты, исследователям приходится выполнять сотни и тысячи отдельных определений.

К настоящему времени созданы приборы, довольно сложные по конструкции, автоматически выполняющие практически все операции. Одним из таких приборов, предложенных отечественными учеными Б.В. Дерягиным и П. Я. Власенко, является поточный ультрамикроскоп. Золь протекает через специальную кювету в направлении оси микроскопа при боковом освещении. Проходя освещенную зону, каждая частица золя дает вспышку, которая регистрируется счетчиком. По раз­личной яркости частиц их можно разделить на фракции и построить кри­вую распределения.