第3章 光学性质

1、第第3章光学性质章光学性质Optical propertiesv3-1光学和电子显微技术光学和电子显微技术Optical and electron microscopyv3-2光散射光散射 Light scattering第3章光学性质 溶胶的光学性质是其高度分散性和不均匀性的反映。通过光学性质的研究，不仅可以解释溶胶系统的一些光学现象，而且还能使我们直接观察到胶粒的运动，对确定胶粒的大小和形状具有重要意义。3-1光学和电子显微技术分辨率分辨率观察时能分清两个点的中心距离的最小尺寸。观察时能分清两个点的中心距离的最小尺寸。2 sinn为入射光波长，n为物体和物镜间介质的折射率，为角孔径（物镜对

2、物体所形成的张角的一半）， 为给定浸没介质下物镜的数值孔径。sinn一、光学显微镜分辨率分辨率用公式表示为：分辨率用公式表示为：可见光的波长范围约在可见光的波长范围约在380nm到到780nm之间。在一般的之间。在一般的估算中，使用估算中，使用500nm的入射光，近似按计算。的入射光，近似按计算。90在空气中在空气中（n=1）5002502 1 1nm 在水中在水中（n=1.333）5001882 1.333 1nm在油中在油中（n=1.575）5001592 1.575 1nm光学显微镜的分辨率约为光学显微镜的分辨率约为200nm，因而不能直接用来观察，因而不能直接用来观察胶体微粒。胶体微粒

3、。一、光学显微镜分辨率光色光色波长波长（nm)代表波长代表波长红（红（Red）780630700橙（橙（Orange）630600620黄（黄（Yellow）600570580绿（绿（Green）570500550青（青（Cyan）500470500蓝（蓝（Blue）470420470紫（紫（Violet）420380420可见光波长可见光波长一、光学显微镜分辨率颜色环一、光学显微镜分辨率放大率放大率是指人眼可分辨的最小距离（是指人眼可分辨的最小距离（0.2mm）与所用）与所用显微镜的分辨率之比。显微镜的分辨率之比。放大率放大率分辨率分辨率普通光学显微镜的最大放大率约为普通光学显微镜的最大放大

4、率约为2500倍，即使使用倍，即使使用波长更短的紫外线，也只能提高到波长更短的紫外线，也只能提高到3500倍。倍。电子显微镜是以电子显微镜是以电子束电子束为光源，电子的波长大约是可为光源，电子的波长大约是可见光的波长的十万分之一，这样可大大提高分辨率。见光的波长的十万分之一，这样可大大提高分辨率。其放大率一般可达其放大率一般可达2530万倍，甚至万倍，甚至50万倍。万倍。因此，利用电子显微镜可以直接观察到胶粒的大小和因此，利用电子显微镜可以直接观察到胶粒的大小和形状。形状。除此之外，暗场显微技术也得到应用，它能使观察所除此之外，暗场显微技术也得到应用，它能使观察所需的最小对比度大大降低。需的最

5、小对比度大大降低。一、光学显微镜分辨率透射电子显微镜是以电子束透过样品，经过聚焦与放大透射电子显微镜是以电子束透过样品，经过聚焦与放大后所产生的物像，后所产生的物像， 投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。 透射电子显微镜的分辨率为透射电子显微镜的分辨率为0.10.2nm，放大倍数为，放大倍数为几万几十万倍。几万几十万倍。 适用于测量直径约为适用于测量直径约为1500nm的质点。的质点。二、透射电子显微镜扫描电子显微镜是使用一中等能量的微电子束，以一扫描电子显微镜是使用一中等能量的微电子束，以一连串平等的轨迹对样品进行扫描，与样品相互作用，从而连串平等的轨迹对

6、样品进行扫描，与样品相互作用，从而产生各种不同的信号，显示在荧光屏上和照相底板上。产生各种不同的信号，显示在荧光屏上和照相底板上。一般用来观察样品表面的形貌特征。一般用来观察样品表面的形貌特征。分辨率约分辨率约5nm，放大率一般十几倍到几十万倍，放大率一般十几倍到几十万倍 。三、扫描电子显微镜暗场照明对检测、计数和研究悬浮质点的运动是一项暗场照明对检测、计数和研究悬浮质点的运动是一项特别有用的技术。在一个普通显微镜的侧面装有一个照明系特别有用的技术。在一个普通显微镜的侧面装有一个照明系统，光线不能直接进入物镜（背景是黑的），只有被研究样统，光线不能直接进入物镜（背景是黑的），只有被研究样品散射

7、的光才能进入。品散射的光才能进入。 超显微镜超显微镜分辨率高，可以研究半径为分辨率高，可以研究半径为5150nm的粒子。的粒子。但是，超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的但是，超显微镜观察的不是胶粒本身，而是观察胶粒发出的散射光。是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一。散射光。是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一。四、暗场显微技术超显微镜超显微镜的类型1 1、狭缝式、狭缝式照射光从碳弧光源射击，经可调狭缝后，由透照射光从碳弧光源射击，经可调狭缝后，由透镜会聚，从侧面射到盛胶体溶液的样品池中。镜会聚，从侧面射到盛胶体溶液的样品池中。超显微镜的目镜超显微镜的目镜看到的是胶粒的看到的是胶粒的

8、散射光散射光。如果溶液中没有如果溶液中没有胶粒，视野将是胶粒，视野将是一片黑暗。一片黑暗。狭缝式超显微镜显微镜可调狭缝碳弧电源胶体四、暗场显微技术超显微镜 2 2、心形聚光器、心形聚光器这种超显微镜有这种超显微镜有一个一个心形腔心形腔，上部视，上部视野涂黑，强烈的照射野涂黑，强烈的照射光通入心形腔后不能光通入心形腔后不能直接射入目镜，而是直接射入目镜，而是在腔壁上几经反射，在腔壁上几经反射，改变方向，最后从侧改变方向，最后从侧面会聚在试样上。面会聚在试样上。目镜在黑暗的背景上看到的是目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光胶粒发出的的散射光。配有心形聚光器的显微镜显微镜物镜胶体心形聚光器四

9、、暗场显微技术超显微镜四、暗场显微技术超显微镜 尽管尽管在超显微镜下，不能直接看到胶粒的大小和形状，在超显微镜下，不能直接看到胶粒的大小和形状，但结合其他数据仍可计算出粒子的平均大小，推断出胶粒的但结合其他数据仍可计算出粒子的平均大小，推断出胶粒的形状。形状。 用超显微镜也可以推断粒子的形状。用超显微镜也可以推断粒子的形状。例如，在其中例如，在其中若看到的若看到的“光点光点”（胶粒的散射光）闪烁不定，时明时暗，（胶粒的散射光）闪烁不定，时明时暗，则表明此种粒子为不对称的棒状或片状物；如散射光亮度则表明此种粒子为不对称的棒状或片状物；如散射光亮度不变，即不变，即“光点光点”不产生闪烁现象，则表明

10、此为对称的球不产生闪烁现象，则表明此为对称的球形或立方体胶粒。形或立方体胶粒。不对称粒子在向光面变化时有闪光现象。不对称粒子在向光面变化时有闪光现象。如在超显微镜下数出视野中粒子的平均个数，然后再如在超显微镜下数出视野中粒子的平均个数，然后再换算出每毫升溶胶所含的胶粒数换算出每毫升溶胶所含的胶粒数 n。若胶粒的密度为，每个胶粒的体积为若胶粒的密度为，每个胶粒的体积为V，则每毫升，则每毫升溶胶中胶粒的总质量溶胶中胶粒的总质量 m 为：为：mnV若胶粒是球形的，其半径为若胶粒是球形的，其半径为r r，则，则343mVrn334mrn 343AMrN四、暗场显微技术超显微镜例. 在超显微镜中观察含H

11、g量为0.008 gmL-1的水溶胶，在视野为110-9 mL体积内数得平均粒子个数为20个，设Hg的密度为13.5 gcm-3，且粒子为球形，求粒子的平均半径。 343cVr n四、暗场显微技术超显微镜解：设粒子的半径为r，r1.910-7 m 超显微镜可以对胶体的性质有如下研究：超显微镜可以对胶体的性质有如下研究：（1）可以测定球状胶粒的平均半径。）可以测定球状胶粒的平均半径。（2）间接推测胶粒的形状和不对称性（不对称质点产生）间接推测胶粒的形状和不对称性（不对称质点产生闪烁效应）。闪烁效应）。（3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散射光）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散射光

12、的强度也不同。的强度也不同。（4）观察胶粒的布朗运动）观察胶粒的布朗运动 、电泳、沉降和凝聚等现象。、电泳、沉降和凝聚等现象。四、暗场显微技术超显微镜3-2光散射v一、丁达尔效应浊度丁达尔效应丁达尔效应当一束当一束光线光线透过透过胶体胶体，从入射光的垂直方向可以观察到，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的胶体里出现的一条光亮的“通路通路”，这种现象叫，这种现象叫丁达尔现象丁达尔现象，也叫也叫丁达尔效应丁达尔效应。由于溶胶的光学不均匀性，当一束波长大于溶胶分散由于溶胶的光学不均匀性，当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶体系，发生的散射现象。相粒子尺寸的入射光照射到溶胶

13、体系，发生的散射现象。丁达尔效应是胶粒对光散射的结果。丁达尔效应是胶粒对光散射的结果。溶胶丁达尔现象透镜光源丁达尔效应Tyndall效应丁达尔效应Tyndall效应Tyndall效应Tyndall效应其他分散体系也会产生这种现象，但是远不如溶胶显著。其他分散体系也会产生这种现象，但是远不如溶胶显著。 Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。的方法。丁达尔效应当光线射入分散体系时可能发生三种情况，即发生当光线射入分散体系时可能发生三种情况，即发生光的光的反射或折射、光的散射以及光的吸收。反射或折射、光的散射以及光的吸收。（1）若分

14、散相的粒子大于入射光的波长，则主要发生）若分散相的粒子大于入射光的波长，则主要发生光的反射或折射现象，使体系呈现浑浊。如粗分散体系。光的反射或折射现象，使体系呈现浑浊。如粗分散体系。（2）若是分散相的粒子小于入射光的波长，则主要发）若是分散相的粒子小于入射光的波长，则主要发生光的散射。溶胶发生光散射作用而出现生光的散射。溶胶发生光散射作用而出现Tyndall 效应。效应。散射：在光的前进方向之外也能观察到光的现象。散射：在光的前进方向之外也能观察到光的现象。丁达尔效应光散射的本质：光是一种电磁波，照射溶胶时，分子光散射的本质：光是一种电磁波，照射溶胶时，分子中的电子分布发生位移而产生偶极子，这

15、种偶极子像小天中的电子分布发生位移而产生偶极子，这种偶极子像小天线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是线一样向各个方向发射与入射光频率相同的光，这就是散散射光（亦称乳光）射光（亦称乳光）。分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵分子溶液十分均匀，这种散射光因相互干涉而完全抵消，看不到散射光。溶胶是多相不均匀体系，在胶粒和介消，看不到散射光。溶胶是多相不均匀体系，在胶粒和介质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射质分子上产生的散射光不能完全抵消，因而能观察到散射现象。现象。丁达尔效应（3）许多溶胶是无色的，这是由于它们对可见光的各波）许多溶胶是无色的，这是由于它们对可见

16、光的各波段的光吸收都很弱，并且吸收大致相同。段的光吸收都很弱，并且吸收大致相同。如溶胶对可见光的如溶胶对可见光的某一波长的光某一波长的光有较强的有较强的选择性吸收选择性吸收，则，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将呈该波长的透过光中该波长段将变弱，这时透射光将呈该波长的补色光。补色光。红色的金溶胶对500600nm波长的绿色光有较强的吸收，因而透过光呈现它的补色红色丁达尔效应 Tyndall 效应效应另一特点就是当光通过分散体系时，另一特点就是当光通过分散体系时，在不同的方向观察光柱有不同的颜色在不同的方向观察光柱有不同的颜色。如如AgCl 的溶胶，在光透过的方向观察，呈浅红色；的溶胶，在光

17、透过的方向观察，呈浅红色；而在与光垂直的方向观测时，则呈淡蓝色。而在与光垂直的方向观测时，则呈淡蓝色。丁达尔效应浊度的物理意义：浊度的物理意义：l1浊度是定量表示分散体系的光散射能力的一个物理量。浊度是定量表示分散体系的光散射能力的一个物理量。它表示当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，它表示当光源、波长、粒子大小相同时，溶胶的浓度不同，其透射光的强度亦不同。其透射光的强度亦不同。 浊度的定义为：浊度的定义为：0ltI /IetI0Il 透射光强度透射光强度 入射光强度入射光强度 样品池长度样品池长度 浊度浊度/e/IIt10当当浊度（turbidity）胶体体系所散射的光强、偏振和角

18、向分布均取决于散射胶体体系所散射的光强、偏振和角向分布均取决于散射质点的大小与形状、质点间的相互作用以及质点与分散介质质点的大小与形状、质点间的相互作用以及质点与分散介质间的折射率差异。间的折射率差异。光散射的测量对于测定质点的大小、形状和相互间的作光散射的测量对于测定质点的大小、形状和相互间的作用有很大的价值。用有很大的价值。二、散射光的测量与测量质点大小的其他技术相比，光散射法有下列优点：与测量质点大小的其他技术相比，光散射法有下列优点：（1）计数是绝对的，不需要定标；）计数是绝对的，不需要定标；（2）测量几乎是立刻完成的，宜于作快速研究；）测量几乎是立刻完成的，宜于作快速研究；（3）通常

19、对所研究的体系不产生明显的干扰；）通常对所研究的体系不产生明显的干扰；（4）测量所涉及的质点数很多，故对多分散体系样品）测量所涉及的质点数很多，故对多分散体系样品的取样代表性强。的取样代表性强。二、散射光的测量光散射理论由单个质点引起的光散射可分为三类：由单个质点引起的光散射可分为三类：（1）瑞利（）瑞利（Rayleigh）散射）散射散射质点小到足以作散射质点小到足以作为散射光的点光源；为散射光的点光源；（2）德拜（）德拜（Debye）散射）散射散射质点大，但与分散散射质点大，但与分散介质的折射率差别小；介质的折射率差别小；（3）米（）米（Mie）散射）散射散射质点大，而且与分散介散射质点大，

20、而且与分散介质的折射率差别显著。质的折射率差别显著。二、散射光的测量二、散射光的测量 1871年，年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在半径在47nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，称为称为Rayleigh公式：公式：222222122212424()2A VnnInn式中：A 入射光振幅， 单位体积中粒子数 入射光波长， 每个粒子的体积 分散相折射率， 分散介质的折射率1n2nVRayleigh公式三、小质点散射 从Rayleigh公式可得出如下结论：（1）散射光总能量与入射光波长的）散射

21、光总能量与入射光波长的4次方成反比。即入射光次方成反比。即入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。强。（4）分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用）分散相与分散介质的折射率相差愈显著，则散射作用亦愈显著。亦愈显著。（3）散射光强度与粒子体积的平方成正比。）散射光强度与粒子体积的平方成正比。（2）散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。）散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。三、小质点散射I0I 1/4透射光650nm散射光450nm溶胶入射光380780nm注意：注意： Rayleigh公式不适用于金属溶胶，因

22、金属溶胶不公式不适用于金属溶胶，因金属溶胶不仅有散射作用，而且还有吸收作用。仅有散射作用，而且还有吸收作用。三、小质点散射晴天天空呈蓝色日出日落防雾灯用黄色02202202242cos1229InnnnlCVI I 散射光强度； l 观察者与散射中心的距离； V 每个分散相粒子的体积；C 单位体积的粒子数；n，n0分别为分散相及分散介质的折射率； I0入射光强度; 入射光波长； 散射角。实际上散射光在各个方向上的强度是不同的。细小粒子实际上散射光在各个方向上的强度是不同的。细小粒子各方向的散射光强度或用下式表示：各方向的散射光强度或用下式表示：三、小质点散射假若散射光源互相靠近并且有规则地分开，散射光波就假若散射光源互相靠近并且有规则地分开，散射光波就存在着规则的相位关系（相干散射），从而发生近于完全的存在着规则的相位关系（相干散射），从而发生近于完全的“相消干涉相消干涉”，即所产生的散射光强几乎为零。，即所产生的散射光强几乎为零。当散射光源是