Лако-красочные материалы — производство

Явление рассеяния света коллоидными системами наблюдал еще Фарадей (1857 г.), исследовавший золи золота. Подробно это явление было описано Тиндалем в 1868 г. 3 проходяЩем свете золи не отличаются от истинных растВоров, оНи веДут" сёбя’ каК ПрозрачныЕ тела. Т¥н|ГОБ’"Уста^бвил7что СветорассеЯние удобно ■мблюдатъ^й3 темном фоне при пропускании пучка лучей череї золь^сбоку. ТГсоёённо четко оно "заметно»*"при фокусировании световых лучей внутри коллоидной системы, когда наблюдается светящийся конус (конус Тиндаля). Это явление часто называ — ют~5ффёКтом Тиндаля.

В дальнейшем было установлено, что СветорАссеяние не яв­ляется особым свойством гетерогенно-дисперсных систем. Оно ХЗ|Гактерно~такЖ£’ДОВГТаЗоВ; Чистых жидкостей и истинных рас­творов. Рассеяние света в этих системах обусловлено ^.тцуктуя — діщми^плотности и концентрации — непрерывным возникновени­ем и исчезнбвёТтеш ассоциатов! В_с^ве£Ш£ШШ-Хцщорад^^ светиле долженл^сеиваться_-В соответствии с принципом Гюй­генса каждую то^усдед^ онт волны^ можно^рі^сматривать как новый исТочник ко л еб а ни йВ тор и ч н ы е Тшлебания уси лЖаКл^Дру7~д^ А в л еНии^а сшюстр а не — ІВЗСТХнін и гасятся в других та­ким образом распространение волнового фронта, можно заклю­чить, что в_шшородной изотроднойСреде он всегда остается гео­метрически подобным себе, н а п р и м ёгТОл о с к а я ВолнІГ бУдет ос­тАваться пл6сК6~ЙГ"ЕЄЯУ*же на пути распространения плоской волны появляется Локальная неоднОродность (с другим показа­телем преломления), то каждая точка_неоднородности станет

Самостоятельным центром колебаний. Возникает фронт волны* направление которого зависит от размера неоднородности. Если размер неоднородности значительно больше длины световой вол­ны, то в основном наблюдается отражение света по соответст­вующим законам. При размере неоднородности меньшей длины волны колебание рассеивается по всем направлениям. В этом случае колебания, исходящие от каждой точки неоднородности, не имеют определенных разностей фаз и более или менее усили­вают друг друга во всех направлениях. Так возникает рассеяние света. Рассеяние возможно только тогда, если неоднородности. находятся на расстояниях друг от друга больших, чем длина волны. Сами же неоднородности должны иметь размеры меньше длины волны.

Теория светорассеяния (опалесценции) для сферических, не — поглощающих света частиц была развита английским физиком Рэлеем. В дисперсной системе в качестве неоднородности высту­пает частица дисперсной фазы. Под влиянием электромагнитного поля волны падающего света электроны в рассеивающей части­ца начинают совершать вынужденные колебания, в результате чего происходит излучение света во всех направлениях. Если частица мала по сравнению с длиной световой волны, то сово­купность колебаний в ней может быть заменена колебанием од­ного электрического диполя. Наведенный диполь излучает коле­бания с частотой, равной частоте волны падающего света. Таким образом, .частота рассеянного света совпадает с частотой па — дающего..хвета.. Индуцированный диполь равен произведению поляризуемости частицы а на напряженность электрического поля Этажличины и определяют интенсивность рас­

Сеянного света. Поляризуемость частицы" зависит от соотношу томиежад_показателями преломления дисперсной фазы п идис — пе^СиониоЙ-среды по, а также пропорциональна ^объему. части­Цы ^.^Интенсивность рассеяния света пропорциональна квадра­ту поляризуемости частицы и соответственно квадрату объема частицы или шестой степени ее радиуса. Поэтому с ростом ряз — мера частиц рассеяние света сильно увеличивается.

Напряженность электрического поля отражает энергию па­дающего светового потока. В соответствии с теорией электро­магнитного поля интенсивность света (плотность потока энер­гии) пропорциональна квадрату амплитуды волны, излучаемой электрическим диполем. В свою очередь амплитуда волны про­порциональна квадрату частоты колебаний диполя. Таким об­разом, интенсивность рассеянного света пропорциональна часто­те колебаний диполя в четвертой степени или обратно пропор­циональна длине волны в четвертой степени АЛ Отсюда вытека­ет, что лучи с меньшей длиной волны сильнее рассевдакшЖ — При рассеянии белого света дисперсной системой с мелкими части­цами рассеянный свет оказывается голубым, а проходящий —

Красноватым, так как синие лучи имеют длину волны меньше, чем красные.

Если падающий свет не поляризован, то интенсивность — рас­сеянного света в направлении, составляющем угол 9 с направ­лением потока падающего света, пропорциональна величине (l-fcos20). В плоскости этого направления интенсивность рас­сеяния света во все стороны одинакова. Зависимость интенсив­ности рассеянного света от угла рассеяния для естественного све­та представлена на рис. V.2а в виде векторных диаграмм, пред­ложенных ученым Ми. Рассеянный свет является частично поля­ризованным. Внутренняя незаштрихованная часть диаграммы Ми представляет собой неполяризованную часть рассеянного света, заштрихованная область — поляризованная часть света. Как видно из диаграммы, рассеянный свет не поляризован в на­правлении падающего луча и полностью поляризован в направ­лении, перпендикулярном к нему (0 = 90°).

Согласно теории, развитой Рэлеем, предполагается, что сфе­рические частицы в дисперсной системе находятся настолько далеко друг от друга, что можно пренебречь вторичным рассея­нием, и поэтому интенсивность рассеянного света пропорцио­нальна числу частиц в единице объема, или частичной концен­трации дисперсной системы v. Формула Рэлея для интенсивно­сти света /р, рассеянного единицей объема дисперсной системы со сферическими частицами, значительно меньшими длины вол­ны падающего света (не более 0,1Я), на расстоянии R от частиц в направлении, составляющем угол 0 с направлением падаюіцих лучей, имеет вид

(V.5)

Где /о — интенсивность падающего света.

Функция от показателей преломления F определяется соот­ношением *

(V.6>

Из соотношения (V.6) следует, что рассеяние может отсут­ствовать и в неоднородной среде, если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды одинаковы.

■г >

Закономерность (V.5) перестает выполняться^есЛи размеры частиц дисперсной фазы приближаются к длине волны падаю­щего света. С увеличением размера частиц зависимость интен­сивности рассеянного света от длины волны становится менее резкой, например, если размеры частиц несколько больше дли­ны волны, интенсивность рассеянного света обратно пропорцио­нальна квадрату длины волны. Это объясняет тот факт, что при падающем естественном свете рассеянный свет от дисперсных систем с мелкими частицами имеет голубой оттенок, а от систем с крупными частицами — белый.

Закон обратной пропорциональной зависимости интенсивно­сти рассеянного света от четвертой степени длины волны не вы­полняется для дисперсных систем с частицами, поглощающими свет. Селективно поглощают свет, например, металлические частицы, что обусловливает, кроме того, сложную зависимость цвета прошедшего света от размеров частиц,

С ростом размера частиц изменяются и закономерности по­ляризации света (рис. V.2б). Степень поляризации света, рас­сеянного крупными частицами, зависит от их размеров и формы. Интенсивность рассеяния света перестает быть симметричной по направлениям лучей. Для крупных сферических частиц она больше в направлении падающего потока по сравнению с обрат­ным направлением (см. рис. V.2б).

Как уже отмечалось, рассеяние света наблюдается и в одно­родных системах — газах и жидкостях вследствие флуктуаций плотности, которые были приняты во внимание М. Смолухов — ским и Л. И. Мандельштамом. Такое рассеяние обычно называ­ют молекулярным в связи с тем, что флуктуации плотности обусловлены тепловым движением. Молекулярное рассеяние проявляется очень слабо, интенсивность рассеянного света со­ставляет около Ю-6—Ю-7 часть от интенсивности падающего света. Его особенностью является зависиместь интенсивности от температуры, с повышением которой флуктуации плотности уси­ливаются. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба (рассеянный свет) и его красный цвет, когда солнце нахо­дится низко над горизонтом, а его лучи проходят большой слой рассеивающей среды (проходящий свет).

Особенно благоприятные условия для возникновения значи­тельных флуктуаций плотности создаются вблизи критического состояния вещества. Появление интенсивного рассеяния света известно под названием критической опалесценции. Резкое воз­растание интенсивности молекулярного рассеяния наблюдается В растворах при критической температуре смешения, когда воз­никают сильные флуктуации концентраций.

К основным методам исследования дисперсных систем, ис­пользующим явление рассеяния света, принадлежат ультрамик­роскопия, турбидиметрия и нефелометрия.