5.1. Жарықтың шашырауы
Бұл құбылысты Тиндаль (1868 ж.) ашты; ол коллоидтық ерітінділерден жарық өткізгенде ерекше құбылысты байқап, оны опалесценция деп атады. Опалесценция, немесе Тиндаль эффектісі жарықтың дисперсті жүйеде дифракцияланып, шашырауының нәтижесі болып табылады.
Опалесценция арқылы коллоидтық ерітінділерді молекулалық және иондық ерітінділерден ажыратуға болады: коллоидтық ерітінділерде көрінетін Тиндаль эффектісі шын ерітінділерде байқалмайды.
Коллоидтық жүйедегі жарық шашырауының теориясын Релей ұсынды. Жарық толқыны жүйеден өткенде, электрмагниттік өріс бөлшектердің полярлануына әкеліп, пайда болған айнымалы электрмагниттік моменті бар дипольдер жарық көзіне айналады. Біртекті ортада дипольдерден шыққан жарық интерференцияға ұшырап, бастапқы бағытта таралады (Гюйгенс принципі). Егер ортада қоспалар болса, диполь моментінің мәні өзгеріп, бөлшектер жарықты шашыратады. Индукцияланған дипольдің моменті толқынның жиілігіне, яғни электрмагниттік толқынның ұзындығына тәуелді.
Шашыраған жарықтың қарқындылығы (І) дисперстік фаза (n1) мен дисперсиялық ортаның (n0) сыну көрсеткіштерінің, толқын ұзындығының (λ), бөлшек көлемінің (υ), бөлшектік концентрацияның (ν) және түскен жарық қарқындылығының (Іо) функциясы болу керек: І=f( Іо, n1, n0, λ, υ, ν).
Релей дипольдік момент пен қарқындылықты есептеп, барлық бағытта шашыраған жарықтың қарқындылығы үшін келесі теңдеуді ұсынды:
. (5.1)
Релей теңдеуі коллоидтық ерітінділерді олардан өткен жарықтың шашырауына негізделген оптикалық зерттеу әдістерінің негізін құрайды. Енді І шамасының коллоидтық ерітінділердің әртүрлі параметрлеріне тәуелділігін қарастырайық.
І шамасына n1-n0 айырымы үлкен әсер етеді, осы айырмашылық артқан сайын, I мәні де арта түседі.
Бөлшектердің тұрақты концентрациясында І шамасы бөлшектің көлеміне (υ), яғни радиустың үшінші дәрежесіне тура пропорционал. Бірақ сызықты тәуелділік бөлшектердің кіші өлшемдерінде ғана сақталады. Теория бойынша Рэлей теңдеуі 2πr/λ<0,3 шарты орындалғанда қолданылып, спектрдің көрінетін бөлігі үшін бұл шарт r<(2-4).10-6 см мәндеріне сәйкес болады. І шамасының өсуі r мәндерінің артуымен баяулайды және r≥λ болғанда шашырау үрдісі шағылысуға айналады. Шашыраған жарықтың қарқындылығын өлшеуге негізделген оптикалық әдіс нефелометрия әдісі деп аталады.
І шамасы ν мәніне пропорционал, сондықтан нефелометрлік әдіс монодисперсті коллоидтық ерітінділерді зерттеу үшін қолайлы.
І шамасы λ4 мәніне кері пропорционал. Сондықтан қысқа толқынды сәулелер (көк, көгілдір) жақсы шашырайды. Осыған түтіннің, керосиннің, сүттің, аспанның көгілдір түсі байланысты. Ал ұзын толқындардың (қызыл, инфрақызыл) аз мөлшерде шашырайтынын радиолокация мен белгі беруде кеңінен қолданады.
Барлық бағытта бірлік көлем шашыратқан жарықтың қарқындылығын (5.1)-теңдеуді сфера бойынша интегралдап табуға болады, нәтижесінде Рэлей теңдеуінің келесі түрін аламыз:
немесе , (5.2)
мұндағы τ = Iш/I0 – өлшем бірлігі [м-1] болатын жүйенің лайлығы; cV = νυ – дисперстік фазаның көлемдік концентрациясы.
(5.1) мен (5.2)-теңдеулерінен өлшеу жағдайларына қарамастан шашыраған жарықтың қарқындылығы әрқашанда бөлшектердің көлемдік концентрациясы с мен бір бөлшектің көлеміне V пропорционал болады:
, (5.3)
мұндағы k – өлшеу жағдайларының константасы.
Жоғарыдағы теңдеулер арқылы бөлшектердің концентрациясын немесе өлшемдерін анықтауға болады.
Егер түскен жарық полярсыз болса, онда түскен жарық бағытымен θ бұрыш құрайтын бағыттағы шашырау қарқындылығы (1+cosθ) шамасына пропорционал болады. Осы бағыт жазықтығында жарық барлық жаққа бірдей қарқындылықпен шашырайды. Шашыраған жарық қарқындылығының шашырау бұрышына тәуелділігі 2-суретте Ми ұсынған векторлық диаграммалар (Ми индикатриссалары) күйінде келтірілген. Ми диаграммасының ішкі ауданы шашыраған жарықтың полярланбаған, ал сыртқы (штрихталған) ауданы полярланған бөлігін көрсетеді. Диаграммалардан шашыраған жарық түскен сәуленің бағытанда полярланбай, θ=900 бағытында толық полярланады. Бөлшектің өлшемдерінің артуымен жарық полярлануының заңдылықтары да өзгереді (2-сурет). Шашыраған жарықтың қарқындылығы өзінің симметриясын жоғалтып, түскен сәуленің бағытында жарық көбірек шашырайды.
Достарыңызбен бөлісу: |
