膠體分散體系的光學(xué)性質(zhì)

1、Colloid and Surface Chemistry第三章 膠體分散體系的光學(xué)性質(zhì)1溶膠具有豐富多彩的光學(xué)性質(zhì)，這與其對(duì)光的散射和吸收有關(guān)。也是溶膠的高度分散性及多相不均勻性特點(diǎn)的反映。本章著重討論膠體的光散射，可以得到質(zhì)點(diǎn)的分子量、體積大小、擴(kuò)散系數(shù)等信息。光散射方法已成為研究膠體與大分子溶液的有力工具。 23.1 Tyndall效應(yīng) 1869 年，Tyndall 發(fā)現(xiàn)： 1）令一束會(huì)聚光通過溶膠，則從側(cè)面可以看到一個(gè)乳光柱（即明顯的光的路徑），這就是 Tyndall 效應(yīng)；342）對(duì)于真溶液或純液體，肉眼觀察不到 Tyndall 效應(yīng)，或者說 Tyndall 很不明顯。Tyndall

2、 效應(yīng)是判別溶膠與真溶液的最簡便方法。 5當(dāng)光線射入分散體系時(shí)： 自由通過 吸收、散射或反射 1）分散相粒子 入射光波長（r ） 主要發(fā)生光的反射，使體系呈現(xiàn)混濁 （不同于乳光柱） 這屬于粗分散體系。 2）分散相粒子 入射光波長（r ） 主要發(fā)生光的散射； 散射：光波繞過粒子而向各方向傳波， 波長不變 產(chǎn)生散射光（乳光）。 6溶膠粒子 r 可見光波長 (1100 nm) (400 700 nm)因此， Tyndall 效應(yīng)是溶膠體系的一個(gè)重要特征。7Tyndall 現(xiàn)象的宏觀解釋 產(chǎn)生光散射的必要條件是：介質(zhì)具有光學(xué)不均勻性。 膠體質(zhì)點(diǎn)的折射率和周圍介質(zhì)不同，溶膠的這種光學(xué)不均勻性，導(dǎo)致光的散

3、射現(xiàn)象（Tyndall 現(xiàn)象）。折射率差別越大，散射越強(qiáng)烈。83.2 瑞利（Rayleigh）散射公式 通常我們把線度小于光波長的微粒對(duì)入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering） 瑞利，十九世紀(jì)最著名的物理學(xué)家之一。他對(duì)物理學(xué)曾作出了很大的貢獻(xiàn)，他在聲學(xué)、波的理論、光學(xué)、光散射、電力學(xué)、電磁學(xué)、水力學(xué)等方面都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 1904年，他因和拉姆塞同時(shí)發(fā)現(xiàn)了惰性元素氬（Ar）而榮獲了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。9 對(duì)于單位體積的被研究體系，散射光的總能量為： Rayleigh 公式 1871年，瑞利最早從理論上研究了光散射,導(dǎo)出溶膠的光散射公式瑞利公式。10A：入

4、射光振幅 ：單位體積的粒子數(shù)V：每個(gè)粒子的體積 ：入射光的波長n1：分散相折射率 n2：分散介質(zhì)折射率 11 在此不作詳細(xì)推導(dǎo)，只說明推導(dǎo)中用到的 幾點(diǎn)假設(shè)，即公式的適用范圍（前提條件） 1）散射質(zhì)點(diǎn)比光的波長小得多： 對(duì)于自然光 ( 400 700nm)，需 r 47 nm； (700 / 15)122）稀溶膠，質(zhì)點(diǎn)間距離較大，無相互作用；3）質(zhì)點(diǎn)為各向同性，非導(dǎo)體，不吸收光。 Rayleigh公式適用于： 由球形非導(dǎo)體小質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的稀溶膠 ( 或稀溶液）。 13Rayleigh公式的主要結(jié)論 1）散射光的總能量與入射光波長的四次方成 反比，即 I 1/ 4入射光波長越短，散射越強(qiáng)。對(duì)于有些粒

5、子很細(xì)的無色溶膠，在側(cè)面看時(shí)呈藍(lán)、紫色（散射強(qiáng)），而從正面看時(shí)則呈紅、橙色（透射強(qiáng)）。14 i) 天空呈蔚藍(lán)色，是陽光的散射光；ii) 車輛在霧、雨天行駛時(shí)，前燈需用黃色燈，以減少散射，照得遠(yuǎn)；iii) 早晨和傍晚的太陽光需穿過很厚的大氣照到地球表面，由于散射作用，照到地球表面的陽光呈紅色（此為透射光）。散射測(cè)量：采用短波長光線（如436nm汞線）光源以增強(qiáng)散射效果。例如15i) 溶膠中，大質(zhì)點(diǎn)的散射遠(yuǎn)超過小質(zhì)點(diǎn)，因此光散射測(cè)量中體系除塵清潔十分必要。ii) r 47 nm 時(shí)，I散 (Is)很弱，主要是反射、折射；2）I V 2 （每個(gè)粒子的體積, 適用于 r：2.5 47 nm 范圍）16

6、iii) r 的下限并不嚴(yán)格，對(duì)于 r 的高分散體系，都有光的散射現(xiàn)象（如真溶液也有，但 r 小，所以 IS 也小，Tyndall 現(xiàn)象不明顯）iv) 散射并非溶膠特有性質(zhì)，但溶膠的IS 最強(qiáng) 即 Tyndall 現(xiàn)象。所以說 Tyndall 現(xiàn)象是溶膠的特性。173）分散相的折射率 n1 與分散介質(zhì)的折射率 n2 相差越大，IS 越強(qiáng) 。分散相與分散介質(zhì)間界面越明顯，IS 越強(qiáng)；這是光學(xué)不均勻性的必然結(jié)果。例如：蛋白質(zhì)溶液與 BaSO4 的溶膠粒子大小相近，但 BaSO4 的折射率較大，所以散射也較蛋白質(zhì)溶液強(qiáng)；184）IS 與溶膠重量濃度 c 的關(guān)系 若其他條件固定，c 為重量濃度 ( k

7、g/L )19設(shè)分散相粒子的密度為，濃度為c ( kg/L ) 則2021對(duì)于相同物質(zhì)（材料）的溶膠，在瑞利公式范圍內(nèi)（r 47 nm），同波長光的光散射強(qiáng)度： 22即，已知一份溶膠的粒子大小，可求得相同重量濃度的另一份溶膠的粒子大小。 即，已知一份溶膠的重量濃度，可求相同粒子大小的另一份溶膠的重量濃度。 233.3 超顯微鏡簡介 肉眼的分辨極限：0.2 mm普通顯微鏡分辨極限：200 nm 放大1000 倍用普通顯微鏡看不見更細(xì)的膠粒 (如 r 47 nm 的符合 Rayleigh 公式的膠粒 )超顯微鏡： 一種具有很強(qiáng)的側(cè)向照明光源的暗視野顯微鏡 即用顯微鏡來觀察 Tyndall 現(xiàn)象。

8、24 與普通顯微鏡不同，超顯微鏡是在垂直于入射光的方向上進(jìn)行觀察，因此可以看到黑暗背景中因膠粒光散射作用而呈現(xiàn)的發(fā)光點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)指出，在超顯微鏡下看到的不是粒子本身的大小，而是其散射光。 25在黑暗的背景中，由于散射作用，膠粒成為一個(gè)個(gè)明亮的光點(diǎn)（光點(diǎn)通常比粒子本身大很多倍），可以清楚地看到其Brown運(yùn)動(dòng)。超顯微鏡的分辨率可提高到 5 150 nm。26超顯微鏡特點(diǎn)：1）只能確定質(zhì)點(diǎn)的存在和位置（光亮點(diǎn)），而看不到它的大小和形狀（光點(diǎn)通常比粒子本身大多倍）。2）超顯微鏡對(duì)折射率（n）差較小的大分子溶液體系，由于Tyndall 效應(yīng)不明顯，不能適用。 27超顯微鏡的應(yīng)用（1）推測(cè)溶膠粒子的大小：測(cè)定膠體 (粒) 的密度 (kg/L)，配制質(zhì)量濃度為 c (kg/L) 的溶膠;28通過縫隙的調(diào)節(jié)可得到光束的高度及寬度，結(jié)合樣品的厚度，即可算出產(chǎn)生光散射的溶膠的體積。在超顯微鏡下直接數(shù)出該體積中含有的粒子數(shù)，即可得到粒子的數(shù)濃度，單位體積內(nèi)的膠粒