胶体分散体系的光学性质

1、Colloid and Surface Chemistry第三章 胶体分散体系的光学性质1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。本章着重讨论胶体的光散射，可以得到质点的分子量、体积大小、扩散系数等信息。光散射方法已成为研究胶体与大分子溶液的有力工具。 23.1 Tyndall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；342）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

2、 效应是判别溶胶与真溶液的最简便方法。 5当光线射入分散体系时： 自由通过 吸收、散射或反射 1）分散相粒子 入射光波长（r ） 主要发生光的反射，使体系呈现混浊 （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 产生散射光（乳光）。 6溶胶粒子 r 可见光波长 (1100 nm) (400 700 nm)因此， Tyndall 效应是溶胶体系的一个重要特征。7Tyndall 现象的宏观解释 产生光散射的必要条件是：介质具有光学不均匀性。 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

3、射现象（Tyndall 现象）。折射率差别越大，散射越强烈。83.2 瑞利（Rayleigh）散射公式 通常我们把线度小于光波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering） 瑞利，十九世纪最著名的物理学家之一。他对物理学曾作出了很大的贡献，他在声学、波的理论、光学、光散射、电力学、电磁学、水力学等方面都做出了不可磨灭的贡献。 1904年，他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩（Ar）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。9 对于单位体积的被研究体系，散射光的总能量为： Rayleigh 公式 1871年，瑞利最早从理论上研究了光散射,导出溶胶的光散射公式瑞利公式。10A：入

4、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 11 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； (700 / 15)122）稀溶胶，质点间距离较大，无相互作用；3）质点为各向同性，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）。 13Rayleigh公式的主要结论 1）散射光的总能量与入射光波长的四次方成 反比，即 I 1/ 4入射光波长越短，散射越强。对于有些粒

5、子很细的无色溶胶，在侧面看时呈蓝、紫色（散射强），而从正面看时则呈红、橙色（透射强）。14 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436nm汞线）光源以增强散射效果。例如15i) 溶胶中，大质点的散射远超过小质点，因此光散射测量中体系除尘清洁十分必要。ii) r 47 nm 时，I散 (Is)很弱，主要是反射、折射；2）I V 2 （每个粒子的体积, 适用于 r：2.5 47 nm 范围）16

6、iii) 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 IS 也小，Tyndall 现象不明显）iv) 散射并非溶胶特有性质，但溶胶的IS 最强 即 Tyndall 现象。所以说 Tyndall 现象是溶胶的特性。173）分散相的折射率 n1 与分散介质的折射率 n2 相差越大，IS 越强 。分散相与分散介质间界面越明显，IS 越强；这是光学不均匀性的必然结果。例如：蛋白质溶液与 BaSO4 的溶胶粒子大小相近，但 BaSO4 的折射率较大，所以散射也较蛋白质溶液强；184）IS 与溶胶重量浓度 c 的关系 若其他条件固定，c 为重量浓度 ( k

7、g/L )19设分散相粒子的密度为，浓度为c ( kg/L ) 则2021对于相同物质（材料）的溶胶，在瑞利公式范围内（r 47 nm），同波长光的光散射强度： 22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。 233.3 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。

8、24 与普通显微镜不同，超显微镜是在垂直于入射光的方向上进行观察，因此可以看到黑暗背景中因胶粒光散射作用而呈现的发光点。应当指出，在超显微镜下看到的不是粒子本身的大小，而是其散射光。 25在黑暗的背景中，由于散射作用，胶粒成为一个个明亮的光点（光点通常比粒子本身大很多倍），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。26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）。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。 27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 (kg/L)，配制质量浓度为 c (kg/L) 的溶胶;28通过缝隙的调节可得到光束的高度及宽度，结合样品的厚度，即可算出产生光散射的溶胶的体积。在超显微镜下直接数出该体积中含有的粒子数，即可得到粒子的数浓度，单位体积内的胶粒