2.3 溶胶的光学性质

§2.3 溶胶的光学性质
光散射
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
光散射现象
当光束通过分散系统时，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
400~700 nm之间。 （1）当光束通过粗分散系统，由于粒子大于入射 光的波长，主要发生反射，使系统呈现混浊。 （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。
Tyndall效应和Rayleigh公式
1869年Tyndall发现，若令一束会聚光通过溶胶，从
侧面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。 Tyndall效应已成为判别溶胶与分 子溶液的最简便的方法。 Tyndall效应的另一特点是，不同 方向观察到的光柱有不同的颜色
• 丁达尔散射和瑞利散射的规律不同，是能不能看到蓝天白 云的根本原因。 • 我们知道可见光的光波长范围是400纳米（蓝紫色） 到700纳米（红色）。红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍。 其四次方大约是9.38倍。也就是说，在可见光的范围内， 短波长的蓝紫光散射强度接近十倍于长波长的红光散射强 度。 • 在空气条件好的情况下，即空气比较洁净，悬浮尘埃较少 时，主要的散射是瑞利散射，散射光中蓝色成份较多。这 就是我们所期望看到的蓝天白云。而在一些城市里，特别 是大气污染较严重的大城市里，由于空气中充满了线度较 大的悬浮尘埃粒子，此时的散射光有很大一部分是丁达尔 散射产生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。下图拍 摄时天气很好，天空是蔚蓝色的，但是在靠近地面的地方 还是有太多的尘埃，远不如高空那样清澈。
I1 c1 I 2 c2
如果已知一种溶液的散射光强度和粒子半径(或
浓度)，测定未知溶液的散射光强度，就可以知道其
粒径(或浓度)，这就是乳光计。
乳光计的原理与比色计相似，所不同者在于乳
光计中光源是从侧面照射溶胶，因此观察到的是散
射光的强度。
浊度（turbidity ）
浊度的定义为：
I t /I 0 e
普通显微镜分辨率不高，只能分辨出半径在
200 nm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5~150 nm的粒子。
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。是用普通显微镜来观察Tyndall效应。
超显微镜是目前研究憎液溶胶非常有用的手段之一
超显微镜的类型
1. 狭缝式
（4） 观察胶粒的Brown运动 、电泳、沉降和凝聚等
现象。
作业：
• 请思考与回答下列问题： • （1）为什么会存在胶体的动力性质、光学 性质？人们如何利用这些性质对胶体体系 进行研究？
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，这种偶极子向各个方
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。
溶胶是多相不均匀系统，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。 如果溶胶对可见光中某一波长的光有较强的选择 性吸收，则透过光中该波长段将变弱，这时透射光将 呈该波长光的补色光。
乳光计原理
当分散相和分散介质等条件都相同时，Rayleigh 公式可改写成： 2
νV IK 4 λ
c 当入射光波长不变， V
设粒子为球形，代入上式可得： 若有两个浓度相同的溶胶
4 V r3 3
I K'cr
I1 r I2 r
3 1 3 2
3
乳光计原理
若胶体粒子大小相同，而浓度不同
显微镜
胶体
心形聚光器 配有心形聚光器的显微镜
目镜在黑暗的背景上看到的是胶粒发出的的散射光
从超显微镜可以获得哪些有用信息？ （1） 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。例如，球状 粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有
闪光现象。
（3） 判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散 射光的强度也不同。
2 2 2 2
2
当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟 时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散 射 光的强度分布不对称而是分布复杂， 称为米散射。
有趣的自然现象
• 在月球上看天空，能否看到晴朗、兰色的 天空？美丽的朝霞和落日的余辉？ • 1913年的一场“虚惊” • 1913年地球上曾通过一个巨大的彗星尾， 彗星为绵延数百里，当时预言地球即将毁 灭……! • 如何解释晴朗的天空呈兰色？旭日和夕阳 呈红色？
Rayleigh公式
当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可 见光的散射)，称为分子散 射或瑞利散射，散射光分布均匀且
对称。 Rayleigh研究了大量的光散射现象，对于粒子
半径在47 nm以下的溶胶，导出了散射光总能量的计
算公式，称为Rayleigh公式：
I
式中：A
24 A V
2 2
2

4
n n ( ) n 2n
2 1 2 1
2 2 2 2 2

n1
入射光振幅， 入射光波长， 分散相折射率，
单位体积中粒子数 V 每个粒子的体积 n2 分散介质的折射率
Rayleigh公式
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、
• 。
•
Tyndall效应
光源
光源
CuSO4 溶液
Fe(OH)3溶胶
• 另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或 液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成 折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强 度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我 们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。 • 实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长 小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质 体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波 长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就 是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时， 由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强， 因此散射光中蓝光的成份较多。
浊度的物理意义： 当
l
It I0 l
透射光强度 入射光强度 样品池长度 浊度
I t /I 0 1 /e
1 τ l
浊度计的用处：
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，由浊度计算浓度。
3 溶胶颜色
• 光吸收,与观察方向无关
• 散射，与观察方向有关
超显微镜的基本原理和粒子大小的测定
• 当光通过各种浑浊介质时都会发生散射。我们平时说，光 是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波 只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。 • 如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实 验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折 射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并 没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大 时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁 达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此， 当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。
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。
某方向散射光的强度
9cv n n I (1 cos ) 4 2 I 0 2 R n 2 n
2
2
2 1 2 1
照射光从碳弧光
源射出，经可调狭缝 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。
碳弧电源
显微镜
可调狭缝
胶体
狭缝式超显微镜
如果溶液中没有胶粒，视野将是一片黑暗。
超显微镜的类型
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
• 白色的太阳光包含着从红到蓝紫各色的光，在太阳光经过 大气层时，会发生散射，而且主要是与光波长有关的瑞利 散射。在这种散射的作用下，短波长（蓝光）的成份被散 射掉了，透射的光中长波长（红光）的成份就较多。透射 光中的红光成份比例是与光线穿过大气层的行程长短有关 的。从下图我们可以看出早晨和黄昏时的太阳光穿过大气 层的行程比中午时长得多（一般来说要长6-10倍），被散 射掉的蓝光也要多得多。因此，早晚的太阳看上去就是偏 红色的。 • 另外，我们在生活在地球上，有白天和晚上之分的原因也 是大气层的散射。如果没有散射，我们在白天看到的天空 将与晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同 的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光 芒。这不是幻想，事实上宇航员从太空已经看到了这样的 现象。而且正因为地球被大气层包围着，宇航员从太空看 地球，看到的是一个美丽的“蓝色的星球”。
（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。
• 散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质 时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向 传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也 能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散 射。 • 在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子 （异四周传播的现象。