2.2.3. Рассеяние и поглощение света

Специфическим свойством коллоидных растворов является их способность рассеивать свет. Это обусловлено гетерогенностью коллоидных систем и размерами коллоидных частиц.

Рассеяние света в какой-либо степени свойственно любой среде. Но наиболее интенсивное светорассеяние происходит в условиях, когда луч света проходит через дисперсную систему, частицы которой имеют размеры меньше длины волны падающего света и удалены друг от друга на расстояния, значительно превосходящие длину волны. Сущность процесса светорассеяния состоит в том, что световой луч, встречая на своем пути частицу, как бы огибает ее и несколько изменяет свое направление.

В коллоидных растворах светорассеяние проявляется в виде опалесценции – матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, которое можно наблюдать при боковом освещении золя на темном фоне. Причиной опалесценции является рассеяние света вследствие его дифракции в микронеоднородной среде коллоидного раствора.

Благодаря светорассеянию коллоидные растворы легко отличить от молекулярных и ионных растворов при помощи эффекта Тиндаля – образования светящегося конуса (рис. 7) при боковом освещении коллоидного раствора. Эффект Тиндаля наблюдается только в разбавленных золях, в густых концентрированных золях этот эффект не наблюдается.

Рис. 7. Эффект Тиндаля

Согласно закону Рэлея интенсивность рассеянного света I зависит от интенсивности I₀ и длины волны λ падающего света, объема частицы V и их концентрации с:

,

(0)

где K – константа, зависящая от соотношения коэффициентов преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Из этого выражения следует, что чем меньше длина волны падающего излучения, тем больше будет рассеяние. На способности золей рассеивать свет основаны такие методы анализа, как нефелометрия и ультрамикроскопия, которые используют для определения концентрации частиц и их размеров в гетерогенных биологических средах.

Закон Рэлея можно выразить и другим уравнением:

,

(0)

Интенсивность I_п света, прошедшего через какую-то однородную среду – жидкость или раствор, всегда меньше интенсивности падающего света I₀. это объясняется явлением поглощения (абсорбции) света средой. Каждая среда в зависимости от своих физических и химических свойств избирательно поглощает определенную часть спектра падающего света. Установлено, что высокодисперсные золи также поглощают часть проходящего света и для них, как и для молекулярных растворов, справедлив закон Бугера – Ламберта – Бера. Однако в дисперсных системах возможны отклонения от этого закона, так как интенсивность проходящего света уменьшается не только в результате его поглощения, но и за счет рассеяния света частицами дисперсной фазы. Вследствие этого для окрашенных коллоидов в уравнение Бугера – Ламберта – Бера кроме коэффициента светопоглощения ε_λ вводят коэффициент светорассеяния А:

.

(0)

Максимум поглощения может зависеть от дисперсности, а именно: чем меньше размер частиц золя, тем сильнее поглощаются более короткие волны. Поэтому золи одного и того же вещества, например, золота, имеют разную окраску при различной дисперсности: высокодисперсный золь золота поглощает синюю часть спектра и пропускает красную, поэтому окрашен в красный цвет; с увеличением размеров частиц золи золота начинают поглощать красную часть спектра и приобретают синюю окраску в проходящем свете. Белые золи не поглощают света. Окраска многих минералов, цветных стекол, драгоценных камней и самоцветов, содержащих включения из высокодисперсных металлов, также связана с явлениями избирательного поглощения и рассеяния света. Так, рубин представляет собой золь Cr и Au в Al₂O₃.