溶膠的光學(xué)性質(zhì)

§8.3溶膠的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)光束通過分散體系時(shí)，一部分自由地通過，一部分被吸收、反射或散射?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)約在400~700nm之間。

（1）當(dāng)光束通過粗分散體系，由于粒子大于入射光的波長(zhǎng)，主要發(fā)生反射，使體系呈現(xiàn)混濁。

（2）當(dāng)光束通過膠體溶液，由于膠粒直徑小于可見光波長(zhǎng)，主要發(fā)生散射，可以看見乳白色的光柱。

（3）當(dāng)光束通過分子溶液，由于溶液十分均勻，散射光因相互干涉而完全抵消，看不見散射光。光散射光是一種電磁波，照射溶膠時(shí)，分子中的電子分布發(fā)生位移而產(chǎn)生偶極子，這種偶極子像小天線一樣向各個(gè)方向發(fā)射與入射光頻率相同的光，這就是散射光。

分子溶液十分均勻，這種散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。

溶膠是多相不均勻體系，在膠粒和介質(zhì)分子上產(chǎn)生的散射光不能完全抵消，因而能觀察到散射現(xiàn)象。

Tyndall效應(yīng)實(shí)際上已成為判別溶膠與分子溶液的最簡(jiǎn)便的方法。

1869年Tyndall發(fā)現(xiàn)，若令一束會(huì)聚光通過溶膠，從側(cè)面（即與光束垂直的方向）可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體，這就是Tyndall效應(yīng)。其他分散體系也會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)散射光，但遠(yuǎn)不如溶膠顯著。

丁鐸爾Tyndall效應(yīng)

1871年，Rayleigh研究了大量的光散射現(xiàn)象，對(duì)于粒子半徑在47nm以下的溶膠，導(dǎo)出了散射光總能量的計(jì)算公式，稱為Rayleigh公式：式中：A入射光振幅，單位體積中粒子數(shù)入射光波長(zhǎng)，每個(gè)粒子的體積分散相折射率，分散介質(zhì)的折射率RayleighI0I0--入射光強(qiáng)度.書中的公式…п3…應(yīng)該為..п2..從Rayleigh公式可得出如下結(jié)論：1.散射光總能量與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比。入射光波長(zhǎng)愈短，散射愈顯著。所以可見光中，藍(lán)、紫色光散射作用強(qiáng)。2.分散相與分散介質(zhì)的折射率相差愈顯著，則散射作用亦愈顯著。3.散射光強(qiáng)度與單位體積中的粒子數(shù)成正比。I0

普通顯微鏡分辨率不高，只能分辨出半徑在200nm以上的粒子，所以看不到膠體粒子。

超顯微鏡分辨率高，可以研究半徑為5~150nm的粒子。但是，超顯微鏡觀察的不是膠粒本身，而是觀察膠粒發(fā)出的散射光。是目前研究憎液溶膠非常有用的手段之一。顯微鏡

1.狹縫式照射光從碳弧光源射擊，經(jīng)可調(diào)狹縫后，由透鏡會(huì)聚，從側(cè)面射到盛膠體溶液的樣品池中。超顯微鏡的目鏡看到的是膠粒的散射光。如果溶液中沒有膠粒，視野將是一片黑暗。

2.有心形聚光器這種超顯微鏡有一個(gè)心形腔，上部視野涂黑，強(qiáng)烈的照射光通入心形腔后不能直接射入目鏡，而是在腔壁上幾經(jīng)反射，改變方向，最后從側(cè)面會(huì)聚在試樣上。目鏡在黑暗的背景上看到的是膠粒發(fā)出的的散射光。用超顯微鏡測(cè)定粒子的大小(間接計(jì)算)設(shè)某溶膠質(zhì)量體積濃度為C(kg/dm3),在超顯微鏡的視野體積V中有ν個(gè)粒子,則每個(gè)粒子重為?粒子自身的密度為ρ(kg/dm3),

若其形狀是半徑為r的球體,則習(xí)題:P378,8-4以質(zhì)量m(kg)密度為ρ(kg/dm3)

的碳黑制成體積為V(dm3)的碳素墨水為例.碳黑在水中被分散.幾種顯微鏡1掃描電子顯微鏡,SEM2透射電子顯微鏡,TEM3掃描隧道顯微鏡,STM4原子力顯微鏡,AFM掃描電子顯微鏡,SEM要求樣品表面導(dǎo)電.必要時(shí)表面噴金或者碳.1.最適宜植物的葉表皮結(jié)構(gòu)、花粉、花器官發(fā)生、種子和果實(shí)等外部形態(tài)與結(jié)構(gòu)的觀察及研究。2.研究多相復(fù)合體中各相的結(jié)構(gòu)及其分布和相之間界面的狀態(tài)。3.研究纖維和織物的結(jié)構(gòu)及其缺陷特征。還有很多其它用途。4原子力顯微鏡,AFM:不需要真空,也不需要鍍導(dǎo)電膜,儀器體積只有17”顯示器大小,表面或者粒徑觀察,統(tǒng)計(jì).具有原子級(jí)高分辨率。原子力顯微鏡的工作原理：

AFM是SPM最重要的發(fā)展。它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法，可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。它不僅可以觀察導(dǎo)體的表面形貌，還可以觀察非導(dǎo)體的表面形貌，彌補(bǔ)了STM只能觀察導(dǎo)體的不足。本小節(jié)完1.最適宜植物的葉表皮結(jié)構(gòu)、花粉、花器官發(fā)生、種子和果實(shí)等外部形態(tài)與結(jié)構(gòu)的觀察及研究。2.適用于金屬、化工、陶瓷等表面及斷面的結(jié)構(gòu)分析。3.研究各種均相聚合物的結(jié)構(gòu)及其斷口形態(tài)特征與力學(xué)行為關(guān)系。4.研究多相復(fù)合體中各相的結(jié)構(gòu)及其分布和相之間界面的狀態(tài)。5.研究聚合物材料作為涂層、粘合劑、薄膜時(shí)，形成聚合物的結(jié)構(gòu)及其粘結(jié)狀態(tài)，如薄膜的疵點(diǎn)、鍍膜中疵點(diǎn)、自愈點(diǎn)、表面小亮點(diǎn)。6.研究纖維和織物的結(jié)構(gòu)及其缺陷特征。SEM什么是掃描探針顯微鏡？

SPM（ScanningProbeMicroscope或ScanningProbeMicroscopy）是掃描探針顯微鏡或掃描探針顯微術(shù)的縮寫，是一個(gè)大的種類，目前，SPM家族中已經(jīng)產(chǎn)生了二三十種顯微鏡，例如掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope--STM）、原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope--AFM）、磁力顯微鏡（MagneticForceMicroscope--MFM）、靜電力顯微鏡（ElectrostaticForceMicroscope--EFM）等等。<返回>SPM是如何工作的？

掃描探針顯微鏡(SPM)的工作原理是基于微觀或介觀范圍的各種物理特性，通過原子線度的極細(xì)探針在被研究物質(zhì)的表面上方掃描時(shí)檢測(cè)兩者之間的相互作用，以得到被研究物質(zhì)的表面特性，不同類型的SPM之間的主要區(qū)別在于它們的針尖特性及其相應(yīng)的針尖----樣品相互作用方式的不同。<返回>掃描隧道顯微鏡的工作原理：

STM的工作原理來源于量子力學(xué)中的隧道貫穿原理。其核心是一個(gè)能在樣品表面上掃描、并與樣品間有一定偏置電壓、其直徑為原子尺度的針尖。由于電子隧穿的幾率與勢(shì)壘V(r)的寬度呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖和樣品的距離非常接近時(shí)，其間的勢(shì)壘變得很薄，電子云相互重疊，在針尖和樣品之間施加一電壓，電子就可以通過隧道效應(yīng)由針尖轉(zhuǎn)移到樣品或從樣品轉(zhuǎn)移到針尖，形成隧道電流。通過記錄針尖與樣品間的隧道電流的變化就可以得到樣品表面形貌的信息。<返回>原子力顯微鏡的工作原理：

AFM是SPM最重要的發(fā)展。它的工作原理是將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測(cè)法，可以測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。它不僅可以觀察導(dǎo)體的表面形貌，還可以觀察非導(dǎo)體的表面形貌，彌補(bǔ)了STM只能觀察導(dǎo)體的不足。什么樣品要選用輕敲模式AFM？

輕敲掃描模式(TappingMode)AFM，特別適用于檢測(cè)生物樣品及其它柔軟、易碎、粘附性較強(qiáng)的樣品。對(duì)于這類樣品，常規(guī)的接觸模式掃描會(huì)在樣品表面形成劃痕，或?qū)悠匪槠皆卺樇馍?，破壞了樣品本身的結(jié)構(gòu)，分辨率較差，而理想的非接觸模式又是難于有效實(shí)施的。輕敲掃描模式的特點(diǎn)是在掃描過程中微懸臂被壓電驅(qū)動(dòng)器激發(fā)到共振振蕩狀態(tài)，針尖隨著懸臂的振蕩，極其短暫地與樣品表面進(jìn)行接觸，同時(shí)由于針尖與樣品的接觸時(shí)間非常短，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失，可以清晰觀測(cè)完好的表面結(jié)構(gòu)而不受表面高度起伏的影響。<返回>與其它表面分析技術(shù)相比，SPM所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有原子級(jí)高分辨率。STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)0.1nm和0.01nm，即可分辨出單個(gè)原子。

（2）可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究，這種可實(shí)施觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究。

（3）可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是個(gè)體象或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。

（4）可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且