2.3 溶胶的光学性质

§2.3溶胶的光学性质超显微镜的基本原理和粒子大小的测定光散射光散射现象当光束通过分散系统时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400~700nm之间。（1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。•散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。•在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。Tyndall效应和Rayleigh公式Tyndall效应已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。Tyndall效应的另一特点是，不同方向观察到的光柱有不同的颜色•当光通过各种浑浊介质时都会发生散射。我们平时说，光是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。•如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此，当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。•。•Tyndall效应4CuSO溶液光源光源Fe(OH)3溶胶•另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。•实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时，由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。光散射的本质光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散射光。分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。溶胶是多相不均匀系统，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将呈该波长光的补色光。Rayleigh公式当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可见光的散射)，称为分子散射或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：222222122212424()2AVnnInn式中：A入射光振幅，单位体积中粒子数入射光波长，每个粒子的体积分散相折射率，分散介质的折射率1n2nVRayleigh公式从Rayleigh公式可得出如下结论：1.散射光总能量与入射光波长的四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。2.分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用亦愈显著。3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。某方向散射光的强度0222212221242229)cos1(2InnnnRcvI当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散射光的强度分布不对称而是分布复杂，称为米散射。有趣的自然现象•在月球上看天空，能否看到晴朗、兰色的天空？美丽的朝霞和落日的余辉？•1913年的一场“虚惊”•1913年地球上曾通过一个巨大的彗星尾，彗星为绵延数百里，当时预言地球即将毁灭……!•如何解释晴朗的天空呈兰色？旭日和夕阳呈红色？•丁达尔散射和瑞利散射的规律不同，是能不能看到蓝天白云的根本原因。•我们知道可见光的光波长范围是400纳米（蓝紫色）到700纳米（红色）。红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍。其四次方大约是9.38倍。也就是说，在可见光的范围内，短波长的蓝紫光散射强度接近十倍于长波长的红光散射强度。•在空气条件好的情况下，即空气比较洁净，悬浮尘埃较少时，主要的散射是瑞利散射，散射光中蓝色成份较多。这就是我们所期望看到的蓝天白云。而在一些城市里，特别是大气污染较严重的大城市里，由于空气中充满了线度较大的悬浮尘埃粒子，此时的散射光有很大一部分是丁达尔散射产生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。下图拍摄时天气很好，天空是蔚蓝色的，但是在靠近地面的地方还是有太多的尘埃，远不如高空那样清澈。•白色的太阳光包含着从红到蓝紫各色的光，在太阳光经过大气层时，会发生散射，而且主要是与光波长有关的瑞利散射。在这种散射的作用下，短波长（蓝光）的成份被散射掉了，透射的光中长波长（红光）的成份就较多。透射光中的红光成份比例是与光线穿过大气层的行程长短有关的。从下图我们可以看出早晨和黄昏时的太阳光穿过大气层的行程比中午时长得多（一般来说要长6-10倍），被散射掉的蓝光也要多得多。因此，早晚的太阳看上去就是偏红色的。•另外，我们在生活在地球上，有白天和晚上之分的原因也是大气层的散射。如果没有散射，我们在白天看到的天空将与晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光芒。这不是幻想，事实上宇航员从太空已经看到了这样的现象。而且正因为地球被大气层包围着，宇航员从太空看地球，看到的是一个美丽的“蓝色的星球”。乳光计原理当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh公式可改写成：24νVIKλ当入射光波长不变，cV343Vr311322IrIr若有两个浓度相同的溶胶3IK'cr设粒子为球形，代入上式可得：乳光计原理1122IcIc若胶体粒子大小相同，而浓度不同如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其粒径(或浓度)，这就是乳光计。乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散射光的强度。浊度（turbidity）浊度的物理意义：lτ1浊度计的用处：当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，其透射光的强度亦不同，由浊度计算浓度。浊度的定义为：0ltI/IetI0Il透射光强度入射光强度样品池长度浊度/e/IIt10当3溶胶颜色•光吸收,与观察方向无关•散射，与观察方向有关超显微镜的基本原理和粒子大小的测定普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150nm的粒子。超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一超显微镜的类型1.狭缝式照射光从碳弧光源射出，经可调狭缝由透镜会聚，从侧面射到盛胶体溶液的样品池中超显微镜的目镜看到的是胶粒的散射光。狭缝式超显微镜显微镜可调狭缝碳弧电源胶体如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。超显微镜的类型2.有心形聚光器目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光这种超显微镜有一个心形腔，上部视野涂黑，强烈的照射光通入心形腔后不能直接射入目镜，而是在腔壁上几经反射，改变方向，最后从侧面会聚在试样上配有心形聚光器的显微镜胶体心形聚光器显微镜从超显微镜可以获得哪些有用信息？（1）可以测定球状胶粒的平均半径。（2）间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有闪光现象。（3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散射光的强度也不同。（4）观察胶粒的Brown运动、电泳、沉降和凝聚等现象。作业：•请思考与回答下列问题：•（1）为什么会存在胶体的动力性质、光学性质？人们如何利用这些性质对胶体体系进行研究？