КХ Лекция №8 Оптические свойства дисперсных систем

1. Оптические свойства дисперсных систем

Лекция 8
Оптические свойства
дисперсных систем
ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ И ПОВЕРХНОСТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ ИМЕНИ С.С.ВОЮЦКОГО, К. Х. Н. О.А. ДУЛИНА

2. Явления, наблюдаемые при взаимодействии видимого света с веществом

Преобладание того или иного явления зависит от оптических свойств частицы и от
соотношения между размером частицы и длинной волны света. Если размер
частицы а много меньше длинны волны света λ, то свет проходит через систему без
изменений своего направления и интенсивности, т.е. I = I0. Такое положение
наблюдается в оптически однородной среде.
Под оптической однородностью понимают одинаковое значение коэффициента
преломления в разных точках среды. Существует только одна оптически однородная
среда – вакуум.
В оптически неоднородной среде часть проходящего света поглощается. При этом
может происходить селективное поглощение некоторых длин волн. В этом случае
наблюдается окраска. Вследствие поглощения интенсивность проходящего пучка, по
сравнению с первичным, ослаблена, т.е. I < I0. В грубодисперсных системах, для
которых выполняется условие а >> λ, наблюдаются явления преломления и
отражения света. Для коллоидных систем наиболее характерно рассеяние света.

3. Рэлеевское рассеяние света

Рассеянием называется преобразование светового потока одного
направления в световые потоки разных направлений. Если
среда оптически неоднородна, то распространение света в ней
сопровождается его рассеянием вследствие различия
коэффициента преломления в разных точках.
Различие в коэффициентах преломления создается как
наличием дисперсной фазы, так и флуктуациями плотности или
концентрации. В соответствии с этим различают два вида
рэлеевского рассеяния:
1)
рассеяние мутными средами;
2)
молекулярное рассеяние света.
Для рэлеевского рассеяния выполняются два условия: длина
волны λ остается постоянной и поглощение отсутствует.
Джон Уильям Стретт,
барон Рэлей
1842 - 1919

4. Физическая сущность рассеяния света

Переменное магнитное поле световой волны вызывает
появление переменных диполей атомов и молекул. Эти
индуцированные диполи осциллируют и являются
источником вторичных световых волн с той же длиной
волны. В оптически однородной среде фазы этих волн
хаотически распределены по объему и вторичные волны
полностью гасят друг друга, вследствие интерференции во
всех направлениях, кроме направления первичного пучка. В
этом случае свет не рассеивается, а проходит прямолинейно.
В оптически неоднородной среде вторичные волны не гасят
друг друга во всех направлениях и наблюдаются рассеянные
под различными углами световые потоки.
Рассеяние света коллоидными системами приводит к
мутности, наблюдаемой в виде эффекта Тиндаля.
Джон Тиндаль
1820 - 1893

5. Эффект Тиндаля

Пучок солнечного света или пучок света
от кинопроектора часто бывают видны
сбоку в виде светящегося конуса,
вследствие интенсивного рассеяния
частицами пыли. Чистые газы и жидкости
рассеивают свет, вследствие флуктуации
плотности, а истинные растворы –
вследствие флуктуации концентрации.
Мутность вещества определяется
выражением: Iп/I0 = e-τl, где I0 и Iп –
интенсивность первичного и проходящего
пучков, l – толщина образца, τ – мутность.

6. Рассеяние малыми частицами

Рэлей в 1871 году заложил основы теории
светорассеяния, применив электромагнитную теорию
света к рассеянию малыми непоглощающими
сферическими частицами в газообразной среде.
Наиболее простой случай – рассеяние поляризованного
света малой частицей, представляющей собой точечный
центр рассеяния. Пусть электромагнитная волна
поляризованного света с интенсивностью I0 и длиной
волны λ падает на малую частицу с поляризуемостью α.
Частица помещена в начало координат, размер частицы
d < λ/20. В молекулах составляющих частицу
индуцируется осциллирующий диполь и частица
становится вторичным источником рассеянного света
той же длины волны, что и первичный пучок. Радиусвектор интенсивности рассеянного света, наблюдаемый
под углом ϴ обозначают как Iϴ.

7. Рассеяние малыми частицами

Проекция зависимости интенсивности рассеянной
волны на плоскость чертежа от угла наблюдения
синусоидальна, т.е. имеет вид изображенный на
рисунке пунктирной линией. Эта векторная
диаграмма называется индикатриссой рассеяния.
Проекция этой же зависимости на плоскость
перпендикулярную к чертежу имеет вид
окружности (штриховая линия).
Неполяризованный свет можно представить, как
наложение горизонтально и вертикально
поляризованной составляющей.
Т.о., индикатрисса рассеяния неполяризованного
света представляет собой эллипс сжатый по малой
оси (сплошная линия).

8. Рассеяние малыми частицами

Для неполяризованного первичного пучка справедливо выражение: