溶胶的光学性质

§8.3溶胶的光学性质

当光束通过分散体系时，一部分自由地通过，一部分被吸收、反射或散射。可见光的波长约在400~700nm之间。

（1）当光束通过粗分散体系，由于粒子大于入射光的波长，主要发生反射，使体系呈现混浊。

（2）当光束通过胶体溶液，由于胶粒直径小于可见光波长，主要发生散射，可以看见乳白色的光柱。

（3）当光束通过分子溶液，由于溶液十分均匀，散射光因相互干涉而完全抵消，看不见散射光。光散射光是一种电磁波，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，这就是散射光。

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。

Tyndall效应实际上已成为判别溶胶与分子溶液的最简便的方法。

1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从侧面（即与光束垂直的方向）可以看到一个发光的圆锥体，这就是Tyndall效应。其他分散体系也会产生一点散射光，但远不如溶胶显著。

丁铎尔Tyndall效应

1871年，Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子半径在47nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计算公式，称为Rayleigh公式：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RayleighI0I0--入射光强度.书中的公式…п3…应该为..п2..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四次方成反比。入射光波长愈短，散射愈显著。所以可见光中，蓝、紫色光散射作用强。2.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。3.散射光强度与单位体积中的粒子数成正比。I0

普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在200nm以上的粒子，所以看不到胶体粒子。

超显微镜分辨率高，可以研究半径为5~150nm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散射光。是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一。显微镜

1.狭缝式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。超显微镜的目镜看到的是胶粒的散射光。如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。

2.有心形聚光器这种超显微镜有一个心形腔，上部视野涂黑，强烈的照射光通入心形腔后不能直接射入目镜，而是在腔壁上几经反射，改变方向，最后从侧面会聚在试样上。目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光。用超显微镜测定粒子的大小(间接计算)设某溶胶质量体积浓度为C(kg/dm3),在超显微镜的视野体积V中有ν个粒子,则每个粒子重为?粒子自身的密度为ρ(kg/dm3),

若其形状是半径为r的球体,则习题:P378,8-4以质量m(kg)密度为ρ(kg/dm3)

的碳黑制成体积为V(dm3)的碳素墨水为例.碳黑在水中被分散.几种显微镜1扫描电子显微镜,SEM2透射电子显微镜,TEM3扫描隧道显微镜,STM4原子力显微镜,AFM扫描电子显微镜,SEM要求样品表面导电.必要时表面喷金或者碳.1.最适宜植物的叶表皮结构、花粉、花器官发生、种子和果实等外部形态与结构的观察及研究。2.研究多相复合体中各相的结构及其分布和相之间界面的状态。3.研究纤维和织物的结构及其缺陷特征。还有很多其它用途。4原子力显微镜,AFM:不需要真空,也不需要镀导电膜,仪器体积只有17”显示器大小,表面或者粒径观察,统计.具有原子级高分辨率。原子力显微镜的工作原理：

AFM是SPM最重要的发展。它的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。它不仅可以观察导体的表面形貌，还可以观察非导体的表面形貌，弥补了STM只能观察导体的不足。本小节完1.最适宜植物的叶表皮结构、花粉、花器官发生、种子和果实等外部形态与结构的观察及研究。2.适用于金属、化工、陶瓷等表面及断面的结构分析。3.研究各种均相聚合物的结构及其断口形态特征与力学行为关系。4.研究多相复合体中各相的结构及其分布和相之间界面的状态。5.研究聚合物材料作为涂层、粘合剂、薄膜时，形成聚合物的结构及其粘结状态，如薄膜的疵点、镀膜中疵点、自愈点、表面小亮点。6.研究纤维和织物的结构及其缺陷特征。SEM什么是扫描探针显微镜？

SPM（ScanningProbeMicroscope或ScanningProbeMicroscopy）是扫描探针显微镜或扫描探针显微术的缩写，是一个大的种类，目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，例如扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope--STM）、原子力显微镜（AtomicForceMicroscope--AFM）、磁力显微镜（MagneticForceMicroscope--MFM）、静电力显微镜（ElectrostaticForceMicroscope--EFM）等等。<返回>SPM是如何工作的？

扫描探针显微镜(SPM)的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研究物质的表面上方扫描时检测两者之间的相互作用，以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。<返回>扫描隧道显微镜的工作原理：

STM的工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿原理。其核心是一个能在样品表面上扫描、并与样品间有一定偏置电压、其直径为原子尺度的针尖。由于电子隧穿的几率与势垒V(r)的宽度呈现负指数关系，当针尖和样品的距离非常接近时，其间的势垒变得很薄，电子云相互重叠，在针尖和样品之间施加一电压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖，形成隧道电流。通过记录针尖与样品间的隧道电流的变化就可以得到样品表面形貌的信息。<返回>原子力显微镜的工作原理：

AFM是SPM最重要的发展。它的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。它不仅可以观察导体的表面形貌，还可以观察非导体的表面形貌，弥补了STM只能观察导体的不足。什么样品要选用轻敲模式AFM？

轻敲扫描模式(TappingMode)AFM，特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。对于这类样品，常规的接触模式扫描会在样品表面形成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，破坏了样品本身的结构，分辨率较差，而理想的非接触模式又是难于有效实施的。轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。<返回>与其它表面分析技术相比，SPM所具有的独特优点：

（1）具有原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可分辨出单个原子。

（2）可实时地得到在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究，这种可实施观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

（3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是个体象或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

（4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且