物理化学：13.4 溶胶的光学性质

1、2021/3/20,1,13.4 溶胶的光学性质,溶胶具有丰富多彩的光学性质，这与其对光的散射和吸收有关。也是溶胶的高度分散性及多相不均匀性特点的反映。 本节着重讨论胶体的光散射，可以得到质点的分子量、体积大小等信息。光散射方法已成为研究胶体与大分子溶液的有力工具,2021/3/20,2,一、丁铎尔效应,1869 年，Tyndall 发现： 1）令一束会聚光通过溶胶，则从侧面可以看到一个乳光柱（即明显的光的路径），这就是 Tyndall 效应,2021/3/20,3,2）对于真溶液或纯液体，肉眼观察不到 Tyndall 效应，或者说 Tyndall 很不明显。 Tyndall 效应是判别溶胶与

2、真溶液的最简便方法,2021/3/20,4,一般地，当光线射入分散体系时，有两种情况： 1）分散相粒子 入射光波长（r ） 主要发生光的反射或折射，体系呈现混浊（不同于乳光柱） 这属于粗分散体系。 2）分散相粒子 入射光波长（r ） 主要发生光的散射； 散射：光波绕过粒子而向各方向传波，波长不变 产生乳光（散射光,2021/3/20,5,溶胶粒子（1100 nm） 可见光波长（400 700 nm），因此，溶胶体系有其重要的特征：Tyndall 效应。 Tyndall 现象的宏观解释： 胶体质点的折射率和周围介质不同，溶胶的这种光学不均匀性，导致光的散射现象（Tyndall 现象,2021/3

3、/20,6,二、瑞利（Rayleigh）散射公式,1871年，瑞利从理论上研究了光散射，导出溶胶的光散射公式 瑞利公式。 对于单位体积的被研究体系，散射光的总能量为,Rayleigh 公式,2021/3/20,7,A：入射光振幅； ：单位体积的粒子数； V：每个粒子的体积； ：入射光的波长； n1：分散相折射率； n2：分散介质折射率,2021/3/20,8,在此不作详细推导，只说明推导中用到的几点假设，即公式的适用范围（前提条件）： 1）散射质点比光的波长小得多,对于自然光 ( 400 700nm)，需 r 47 nm,2021/3/20,9,2）稀溶胶，质点间距离较大，无相互作用； 3）质

4、点为各向同性，非导体，不吸收光。 Rayleigh公式适用于： 由球形非导体小质点构成的稀溶胶 ( 或稀溶液,2021/3/20,10,分析讨论Rayleigh公式,1）I 1/ 4 入射光波长越短，散射越强。 对于白色入射自然光，通过溶胶溶液后，在侧面看时呈兰、紫色（散射强），而从正面看时则呈红、橙色（透射强）。 例如,2021/3/20,11,i) 天空呈蔚蓝色，是阳光的散射光； ii) 车辆在雾、雨天行驶时，前灯需用黄色灯，以减少散射，照得远； iii) 早晨和傍晚的太阳光需穿过很厚的大气照到地球表面，由于散射作用，照到地球表面的阳光呈红色（此为透射光）。 散射测量： 采用短波长光线（如

5、436nm汞线）光源以增强散射效果,2021/3/20,12,2）I V 2 （适用于 r：2.5 47 nm 范围） i ) r 47 nm 时，I散 很弱，主要是反射、折射； ii) r 的下限并不严格，对于 r 的高分散体系，都有光的散射现象（如真溶液也有，但 r 小，所以 I散 也小，Tyndall 现象不明显,2021/3/20,13,iii) 散射并非溶胶特有性质，但溶胶的 I散 最强 即 Tyndall 现象。所以说 Tyndall 现象是溶胶的特性。 iv) 溶胶中，I散(大质点) I散(小质点)，因此光散射测量中体系除尘清洁十分必要,2021/3/20,14,3）分散相的折射

6、率 n1 与分散介质的 n2 相差越大，I散 越强,分散相与分散介质间界面越明显，I散 越强；例如： a）蛋白质溶液与 BaSO4（或 S ）的溶胶粒子大小相近，但 BaSO4、S 的折射率较大，所以散射也较蛋白质溶液强,2021/3/20,15,b）纯液体或气体由于密度的涨落，局部的折射率会有某些改变，因此也会产生散射作用 即光学不均匀导致光散射,2021/3/20,16,4）I散 与溶胶重量浓度 c 的关系,若其他条件固定，c 为重量浓度 ( kg/L,设分散相粒子的密度为，浓度为c ( kg/L ) ，则,2021/3/20,17,2021/3/20,18,对于相同物质（材料）的溶胶，在

7、瑞利公式范围内（r 47 nm），同波长光的光散射强度,2021/3/20,19,即，已知一份溶胶的粒子大小，可求得相同重量浓度的另一份溶胶的粒子大小,即，已知一份溶胶的重量浓度，可求相同粒子大小的另一份溶胶的重量浓度,2021/3/20,20,三、超显微镜简介,肉眼的分辨极限：0.2 mm 普通显微镜分辨极限：200 nm 放大1000 倍 用普通显微镜看不见更细的胶粒 (如 r 47 nm 的符合 Rayleigh 公式的胶粒 ) 超显微镜： 一种具有很强的侧向照明光源的暗视野显微镜 即用显微镜来观察 Tyndall 现象,2021/3/20,21,在黑暗的背景上，由于散射作用，胶粒成为一个个明亮的光点，可以清楚地看到其 Brown 运动。 超显微镜的分辨率可提高到 5 150 nm,2021/3/20,22,超显微镜特点： 1）只能确定质点的存在和位置（光亮点），而看不到它的大小和形状（光点通常比粒子本身大多倍），但电子显微镜可以。 2）超显微镜对折射率（n）差较小的大分子溶液体系，由于Tyndall 效应不明显，不能适用,2021/3/20,23,超显微镜的应用,1）推测溶胶粒子的大小： 测定胶体 (粒) 的密度 ，配制浓度为 c (kg/L)的溶胶，利用超显微镜观察单位体积内的胶粒数 (个/ L)，则每个胶粒的质量,2