第三章胶体分散体系的光学性质.ppt

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1、第三章胶体分散体系的光学性质第一节第一节 延德耳效应延德耳效应 一、延德耳（一、延德耳（TyndallTyndall）效应效应 入射光（incident light）强度I0与上述几个分量关系为：I0It Is I a Ir 散射光在胶体粒子周围的各个方向上全可存在，如果一个方向上的散射光强度为is，那么总散射光强度等于三维所有角度散射光强度之和或积分：由于低分子分散体系和胶体分散体系不存对于胶体分散体系，较小，故 对于低分子分散体系，极小，则 图3-1 Tyndall效应实验示意图在光反射Ir。对上式余弦项稍加变动就可以得到偶极分子的距离为r处诱导电场的通用公式：总之，胶体粒子之所以会发生光

2、散射是因为作为余弦波动的入射光，会使分子诱导而成偶极子，处于交变电场中的偶极子如同一根发射天线一样，会向各个方向发射诱导电磁波，而且这个诱导电磁波的频率与入射光的频率是一致的，诱导电磁波就是散射光波。二、瑞利（二、瑞利（RayleighRayleigh）理论理论溶胶的溶胶的光散射光散射 光的强度又定义为单位时间落在单位面积上的辐射量。即光强度之比等于能量之比，故有分子的散射光强度一个分子在一个角度上的散射光强度与入射光强度之比率：同理也存在水平偏振部分：非偏振的散射光也由等量的水平和垂直偏振散射光组成。此式可分解为两部分：此式可分解为两部分：这张光散射空间分布图可以得出如下的结果：图3-3散射

3、光强度的空间分布示意图在x=0及时光的散射强度最大，而在x=/2时最小，仅是x=0及时的一半；即前向散射与后向散射相等；x=90时，散射光全偏振，此时只有iv或作贡献。在x=0或时，散射光为非偏振的，其他角度的散射光为部分偏振的。图3-3散射光强度的空间分布示意图18711871年由年由RayleighRayleigh导出的公式导出的公式 如果我们考虑的体系为溶胶，则不能不考虑介质折射的影响，介质的折射率1溶胶浓度很低，即不会引起外干涉，于是有：图3-4观测角定义示意图。图中A是散射中心；B观测点这就是溶胶的光散射强度公式影响光散射因素的结论：影响光散射因素的结论：1is正比于分散相的数量浓度

4、N。2 is正比于V2或粒径d6。3 is与入射光波长的四次方成反比。4 is正比于分散相与分散介质的折射差值。需要强调指出：Rayleigh公式仅适用于不导电的分散相。Rayleigh公式仅用于d/20，至多0.05那样尺寸的粒子，在处理这类小粒子时，认为它是个点散射源。Rayleigh公式应用的是溶胶的浓度很低，否则必须考虑分散相粒子散射光间的干涉即外干涉。三、涨落现象三、涨落现象大分子溶液的光散射大分子溶液的光散射 Smoluchovski（1908年）和Einstein（1910年）提出了溶液和纯溶剂的光散射的涨落理论，解决了溶液和纯溶剂的光散射问题。这一理论认为由于分子（介质和溶质分

5、子）的热运动，使在某时某地溶液浓度或密度小于或大于总体值，从而破坏了体系的光学均匀性，才有了光散射值存在，亦就是说产生光散射的必要条件是体系中存在光学不均匀性。单位体积的光散射公式：按渗透压公式 则有：令整理后：R称为Rayleigh比率R在光散射实验中是十分重要的量在光散射实验中是十分重要的量 将一系列光学常数和数值常数合并为一个常数，则有：所以：或若以Kc/Rc作图，则为直线：直线斜率2B；直线截距1/M对比渗透压公式可知：二者斜率相差一倍大；对单分散体系，均可由截距求出相同的M；对于多分散体系，意义不同，渗透压结果为 ；而光散射的结果是 。第三节第三节 光散射实验与重均分子量光散射实验与

6、重均分子量一、光散射实验一、光散射实验 在图3-6中，取与水平方向呈角，半径为r的球面上一个体积元，其面积为：总的散射强度比为：图3-6 光散射仪的工作原理示意图图3-7 以积分取代三维合式的数学模型若令那么 或 以 c作图，必得一直线，且直线截距1/M 直线斜率=2B 图3-8三种不同级分的聚苯乙烯的丁酮溶液的Hc/c图二、重均分子量二、重均分子量 对于均分散体系，=但对多分散体系而言，用求截距法（即c=0处）求，则式可写为 因为所以有：第四节 德拜光散射理论（见书上选读内容）第五节 米氏光散射理论（见书上选读内容）第六节第六节 显微观测显微观测 一、放大倍数与分辨率一、放大倍数与分辨率 所

7、谓分辨率或分辩极限就是两个物体能够分辩得开的最小距离。图3-16（A）分辨率d的几何关系（B）双光线经透镜成像示意图（A）（B）分辨率分辨率d定义为定义为 要想缩小d的数值或提高分辨能力，途径有：增增大大光光锥锥角角2，方方法法是是加加大大镜镜头头直直径径及及减减少少镜镜头头与与物物体体间距，然而镜头的设计限制了这些参数的变化范围；间距，然而镜头的设计限制了这些参数的变化范围；增增大大介介质质折折射射率率n0，往往往往在在使使用用高高倍倍放放大大倍倍数数的的物物镜镜镜镜头头时时，要要在在物物体体与与物物镜镜镜镜头头间间加加入入折折射射率率比比空空气气大大得得多多的的浸油，目的即在此；浸油，目的

8、即在此；降降低低入入射射光光的的波波长长0。一一般般光光学学显显微微镜镜均均使使用用日日光光，灯灯光光等等可可见见光光，比比如如500500纳纳米米，若若2140，则则d d1.42101.4210-7-7m m，这这个个值值也也就就是是胶胶体体分分散散相相的的上上限限，再再小小则则光光学显微镜就无法分辨了学显微镜就无法分辨了。二、亮场显微镜二、亮场显微镜 所观测的最小粒子为0.2m，即200nm之上粒子方可分辨。即便是用单色紫外光，用拍照方法观测到的物体也不得小于0.1m。图3-17（A）普通光学显微镜和（B）超级显微镜示意图 三、三、暗场显微镜暗场显微镜超级显微镜超级显微镜 由于溶剂（或分

9、散介质）光散射强度几乎为零，因此当无分散相粒子存在时，没有散射光进入显微镜，显微镜视场中一片黑暗，这正是称为暗场显微镜(dark field microscpy)的缘由。若有分散相存在，则在黑暗背景中有闪烁亮点，亮点的亮度取决于粒子和介质的相对折射率，入射光强度以及暴露于入射光下的粒子表面面积。分散体系必须满足如下条件：分散体系必须满足如下条件：粒子的大小必须适中，超级显微镜特别满足于胶体分散体系的观测；分散相与分散介质的折射率差值（n-n0）足够大；粒子的数量浓度不能太大，保证粒子的间距大于超级显微镜分辨率d值，否则亮点相互叠压，不能分解出单个粒子的散射光亮度。让稀释后的溶胶或气溶胶在容器中

10、细管中流动，光从侧面射入。当粒子流过时，便产生光散射，便在显微图3-18 流动式超级显微镜示意图镜中计数，气溶胶或溶胶的体积由体积计量器计量，也可以由输入一定体积的溶胶量计量。从而求出粒子的体积数量流量。图3-18流动式超级显微镜示意图四、电子显微镜四、电子显微镜 光波具有波粒二重性 电子显微镜中通过加速电子运动速度可以得到小于1的值，但实践证明随的减少，同样会使NA值（即2nsin）降低，从而限制了电子显微镜的分辨率在10以上。TEM粒子与背景有明显的反差，它只能显示被测物的轮廓而不能显示出被测物的表面细节，电镜照片无立体感而言。图3-19（a）光学显微镜（b）透射电子显微镜比较示意图扫描电子显微镜（SEM），其电子发射、加速、聚焦原理与TEM无异，但其显示屏幕或照片上所受的并非此一次发射的电子，而是如图3-20所示被测物接受一次电子打击，样品表面真空蒸镀的金（或是银，但银效果较差）薄膜被激发而发射的二次电子束，因此有物体的部分显示出亮点，如同电视屏幕一样通过电子束的扫描可显示出物体的全貌来。图3-20SEM中样品表面金薄膜激发二次电子束示意图此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢谢谢!