第三章 膠體分散體系的光學性質(zhì)

第三章膠體分散體系的光學性質(zhì)

第一節(jié)延德耳效應一、延德耳（Tyndall）效應

入射光（incidentlight）強度I0與上述幾個分量關系為：

I0＝It＋Is＋Ia＋Ir

散射光在膠體粒子周圍的各個方向上全可存在，如果一個方向上的散射光強度為is，那么總散射光強度等于三維所有角度散射光強度之和或積分：由于低分子分散體系和膠體分散體系不存對于膠體分散體系，較小，故

對于低分子分散體系，極小，則

圖3-1Tyndall效應實驗示意圖在光反射Ir。吸收ε的定義為：

對于低分子分散體系

膠體分散體系

在膠體分散體系中，光的減弱并非是因為吸收而是因為光散射（也稱為假吸收），因此我們將ε=Is/I0給以新的名稱—濁度(turbidity)，用τ表示，它的大小表示光散射的強弱。

二、光散射的產(chǎn)生與光散射理論

（一）光散射的產(chǎn)生

（二）光散射理論

1．Rayleigh光散射理論

2．

Dobye光散射理論

3．

Mie光散射理論

第二節(jié)瑞利光散射理論一、

基本概念

（一）電磁波

（二）振動電荷（三）電場中的分子

可以得到誘導的偶極分子的誘導電場強度公式：

圖3-2電場中的振動電荷對上式余弦項稍加變動就可以得到偶極分子的距離為r處誘導電場的通用公式：

總之，膠體粒子之所以會發(fā)生光散射是因為作為余弦波動的入射光，會使分子誘導而成偶極子，處于交變電場中的偶極子如同一根發(fā)射天線一樣，會向各個方向發(fā)射誘導電磁波，而且這個誘導電磁波的頻率與入射光的頻率是一致的，誘導電磁波就是散射光波。

二、瑞利（Rayleigh）理論——溶膠的光散射

光的強度又定義為單位時間落在單位面積上的輻射量。即光強度之比等于能量之比

，故有分子的散射光強度一個分子在一個角度上的散射光強度與入射光強度之比率：同理也存在水平偏振部分：非偏振的散射光也由等量的水平和垂直偏振散射光組成。

此式可分解為兩部分：

這張光散射空間分布圖可以得出如下的結果：圖3-3散射光強度的空間分布示意圖⑴在φx=0°及π時光的散射強度最大，而在φx=π/2時最小，僅是φx=0及π時的一半；⑵即前向散射與后向散射相等；⑶φx=90°時，散射光全偏振，此時只有iv或π作貢獻。在φx

=0或時，散射光為非偏振的，其他角度的散射光為部分偏振的。

圖3-3散射光強度的空間分布示意圖1871年由Rayleigh導出的公式

如果我們考慮的體系為溶膠，則不能不考慮介質(zhì)折射的影響，介質(zhì)的折射率≠1溶膠濃度很低，即不會引起外干涉，于是有：

圖3-4觀測角定義示意圖。圖中A是散射中心；B觀測點這就是溶膠的光散射強度公式

影響光散射因素的結論：

1．is正比于分散相的數(shù)量濃度N。2．is正比于V2或粒徑d6。3．is與入射光波長的四次方成反比。4．is正比于分散相與分散介質(zhì)的折射差值。需要強調(diào)指出：①Rayleigh公式僅適用于不導電的分散相。②Rayleigh公式僅用于d≤λ/20，至多0.05λ那樣尺寸的粒子，在處理這類小粒子時，認為它是個點散射源。③Rayleigh公式應用的是溶膠的濃度很低，否則必須考慮分散相粒子散射光間的干涉即外干涉。

三、漲落現(xiàn)象——大分子溶液的光散射

Smoluchovski（1908年）和Einstein（1910年）提出了溶液和純?nèi)軇┑墓馍⑸涞臐q落理論，解決了溶液和純?nèi)軇┑墓馍⑸鋯栴}。這一理論認為由于分子（介質(zhì)和溶質(zhì)分子）的熱運動，使在某時某地溶液濃度或密度小于或大于總體值，從而破壞了體系的光學均勻性，才有了光散射值存在，亦就是說產(chǎn)生光散射的必要條件是體系中存在光學不均勻性。

單位體積的光散射公式：

按滲透壓公式則有：

令整理后：Rθ稱為Rayleigh比率

Rθ在光散射實驗中是十分重要的量

將一系列光學常數(shù)和數(shù)值常數(shù)合并為一個常數(shù)，則有：

所以：或若以Kc/Rθ－c作圖，則為直線：直線斜率＝2B；直線截距＝1/M對比滲透壓公式可知：①二者斜率相差一倍大；②對單分散體系，均可由截距求出相同的M；對于多分散體系，意義不同，滲透壓結果為；而光散射的結果是。

第三節(jié)光散射實驗與重均分子量一、光散射實驗

在圖3-6中，取與水平方向呈角，半徑為r的球面上一個體積元，其面積為：總的散射強度比為：

圖3-6光散射儀的工作原理示意圖圖3-7以積分取代三維合式的數(shù)學模型若令那么或

以－c作圖，必得一直線，且直線截距＝1/M