TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO
3.2. TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA HỆ KEO
Khi chiếu một chùm ánh sáng vào một hệ phân tán ta thấy: nếu hệ là dung dịch thực ánh sáng có thể đi xuyên qua, có thể khúc xạ hoặc phản xạ. Với những hệ vi dị thể, hệ trở nên đục và hơi thô. Còn với hệ keo thì ánh sáng bị nhiễu xạ (khuếch tán) hoặc hấp phụ một phần nào đó bởi các hạt keo.
Tính chất nhiễu xạ ánh sáng là tính quang học đặc trưng của hệ keo.
3.2.1. Sự nhiễu xạ ánh sáng
3.2.1.1. Hiện tượng nhiễu xạ Tyndall
Khi chiếu một chùm ánh sáng đi qua hệ keo, năm 1869 Tyndall đã quan sát thấy một hình nón sáng lên bên trong hệ keo. Hình nón sáng lên đó là hiện tượng khuếch tán hay nhiễu xạ ánh sáng của hệ keo.
Người ta nhận ra tính chất này khi làm thí nghiệm sau:
Hình 3.2. Thí nghiệm về hiện tượng Tyndall
Đặt một nguồn sáng S giữa hai cốc A, B. Cốc A chứa dung dịch thực, cốc B chứa dung dịch keo. Quan sát thí nghiệm ta thấy.
Mắt quan sát có hướng nhìn vuông góc với phương truyền đi của ánh sáng tới.
Kết quả quan sát: cốc A không thấy sự thay đổi, cốc B phần ánh sáng đi qua sáng hẳn lên.
Phần sáng hẳn lên do tia sáng chiếu vào hệ keo bị nhiễu xạ có dạng hình nón được gọi là hình nón Tyndall.
3.2.1.2. Phương trình nhiễu xạ ánh sáng của Rayleigh
24π sin α
2 2
Hình 3.3. Sự khuếch tán ánh sáng theo phương trình Rayleigh
Trong hiện tượng nhiễu xạ, khi khảo sát mối tương quan giữa kích thước các hạt keo và độ dài sóng của ánh sáng tới ta nhận thấy:
Các hạt keo có kích thước a nằm trong khoảng từ 10-7 – 10-5 cm trong khi bước sóng của ánh sáng đơn sắc vùng khả kiến có độ dài sóng từ 4.10-5 – 7.10-5 cm.
Như vậy, ngay cả tia tím có bước sóng ngắn nhất λ 4.105 cm cũng lớn hơn kích thước của các hạt keo điều này giúp cho sự nhiễu xạ có thể xảy ra. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng chỉ xảy ra khi 1 2λ chiều dài bước sóng ánh sáng tới phải lớn hơn kích thước hạtphântán.(λ
2 akeo)
Tức là hạt keo luôn nằm trong điện trường của sóng ánh sáng tới. Trong điều kiện đó, nếu hạt keo không dẫn điện thì các phân tử cấu tạo nên hạt keo sẽ cảm ứng điện từ và tạo ra các lưỡng cực.
Vì dao động của sóng ánh sáng tới biến thiên liên tục theo thời gian, nên lưỡng cực cảm ứng cũng biến thiên liên tục.
Như thế, khi trạng thái năng lượng của lưỡng cực thay đổi đưa đến sự phát sinh ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ mà khi quan sát đó là ánh sáng nhiễu xạ hay khuếch tán.
Như thế, hạt keo đã trở thành nguồn sáng thứ cấp phát ra ánh sáng nhiễu xạ.
Khi hạt keo gồm những hạt không dẫn điện, hình cầu, có nồng độ hạt quá nhỏ thì cường độ ánh sáng nhiễu xạ tuân theo phương trình Rayleigh.
IKT
3 2 n1
n1
n22
2n22 2
.NV2
λ4 I0 (3.11) IKT: cường độ ánh sáng nhiễu xạ
I0: cường độ ánh sáng hạt tới
3
. 1 3
4
: góc giữa hướng ánh sáng tới và ánh sáng nhiễu xạ n1: chiết suất của môi trường phân tán
n2: chiết suất của hạt keo N: nồng độ hạt keo V: thể tích hạt keo
: chiều dài bước sóng ánh sáng
3.2.1.3. Một số hệ quả rút ra từ phương trình Rayleigh a. Ảnh hưởng của nồng độ hạt keo
Khi hai hạt keo có cùng nồng độ khối lượng, nhưng tạo ra số hạt khác nhau, do kích thước hạt khác nhau thì cường độ ánh sáng khuếch tán của hai hạt tỷ lệ với nhau theo hệ thức :
I1
I2
N1V1 2
N2V2
N1 r1 3
N2 r2 2
(3.12)
Vì N1
N2
r2
r1 3
Nên I1
I2
r2
r1
3 r
r2 6 r1
3
r2
(3.13)
Nghĩa là khi chiếu vào những hệ keo với chùm ánh sáng đơn sắc (có λ như nhau) có cùng cường độ ánh sáng tới I0, quan sát ở những vị trí nhưnhau dưới góc α , hệ keo nào có kích thước hạt càng lớn thì cường độ ánh sáng nhiễu xạ càng mạnh.
Cường độ ánh sáng nhiễu xạ tỷ lệ với r3.
Tuy nhiên hệ quả này có giới hạn, vì khi kích thước hạt tăng tới bằng λ 2 thì khi đó hạt phản chiếu ánh sáng, cường độ ánh sáng nhiễu xạ giảm.
b. Ảnh hưởng của bước sóng
Khi chiếu vào hai hệ keo giống nhau những ánh sáng đơn sắc có λ khác nhau, cùng cường độ I0, thì các hệ này khuếch tán ánh sáng cũng khác nhau. Khi đó :
I1
I2
λ42
λ1
(3.14)
Ví dụ : nếu λ2 2λ1
I1 16I2
Như vậy, ánh sáng đơn sắc có bước sóng càng ngắn sự nhiễu xạ càng mạnh.
Hình 3.4. Sự khuếch tán ánh sáng của hệ keo trong không khí.
Khi khảo sát ánh sáng trắng, gồm các tia đơn sắc của vùng khả kiến :
Tia tím nhiễu xạ mạnh hơn tia xanh và mạnh hơn tia đỏ. Tính chất này có nhiều ứng dụng trong thực tế, ở khoảng cách xa đèn đỏ làm tín hiệu hoặc đèn báo nguy hiểm vì khả năng xuyên thấu cao còn đèn xanh báo an toàn.
Do tia đỏ ít nhiễu xạ hơn các tia xanh và tím nên khi quan sát ánh sáng trắng qua một hệ keo ta thấy: trên đường đi của ánh sáng tới sẽ giàu tia đỏ, còn nhìn phía góc bên cạnh giàu tia tím và xanh do hiện tượng nhiễu xạ.
Tia đỏ hầu như ít bị nhiễu xạ mà chỉ xuyên thấu qua hệ keo. Đó là lý do giải thích lúc sáng sớm mặt trời mọc và chiều mặt trời lặn, bầu trời thường có màu đỏ cam.
Về ban ngày bầu trời có màu xanh là do tia xanh của ánh sáng mặt trời bị bầu khí quyển khuếch tán mạnh hơn các tia khác.
c. Ảnh hưởng của chiết suất
Đối với những hệ mà chiết suất môi trường phân tán n1 gần giống chiết suất của pha phân tán n2, thì hệ khuếch tán rất yếu.
Như vậy về nguyên tắc các khối khí nguyên chất không khuếch tán ánh sáng.
Do sự thăng gián nồng độ trong một thể tích lớn của khí có tạo ra những khu vực có sự khuếch tán khác nhau.
Vì thế khi các khối khí có thể khuếch tán ánh sáng. Giá trị tuyệt đối của ánh sáng khuếch tán qua một cm3 không khí vô cùng nhỏ. Song nó trở nên có ý nghĩa bởi chiều dày khổng lồ của khí quyển bao quanh trái đất.
3.2.1.4. Ứng dụng của hiện tượng nhiễu xạ
Kính siêu vi: còn gọi là kính hiển vi nền đen
Hình 3.5. Đường đi của tia sáng qua kính hiển vi.
Hạt keo có kích thước nhỏ không nhìn thấy bằng kính hiển vi thường. Tuy nhiên, khi hệ keo khuếch tán ánh sáng, các tiểu phân hạt keo trở thành những tâm sáng thứ cấp và nhiễu xạ tạo thành những điểm sáng trên nền đen.
Về nguyên tắc có thể đếm được các số điểm sáng để xác định số hạt keo trong một thể tích nhất định. Từ đó có thể suy ra nồng độ và kích thước hạt.
Trong kính siêu hiển vi, nguồn sáng được bố trí qua lăng kính, tập trung chiếu qua hệ keo, không truyền lên thị kính. Chỉ có tia sáng khuếch tán trên hệ keo là truyền lên được thị kính, để tới mắt người quan sát.
Nếu hệ keo có nồng độ khối lượng là C (g/ml). Trong thể tích V của hạt ta đến được n hạt.
Vậy khối lượng một hạt : m CV n
Nếu hạt hình cầu có khối lượng riêng là d thì m 4 3 .r3.d Từ đó suy ra bán kính hạt keo là : r 3CV
4 .n.d (3.15)
3.2.2. Sự hấp thụ ánh sáng
Khi ánh sáng tới chiếu qua hệ keo, sự hấp phụ ánh sáng của hệ keo cũng tuân theo định luật Lambert – Beer như đối với dung dịch phân tử.
Gọi I0 là cường độ ánh sáng tới, cường độ ánh sáng đi ra khỏi hệ là I.
Phương trình Lambert – Beer cho sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch thực là :
I I0e KCd (3.16)
C: nồng độ khối lượng K: hệ số hấp thụ
d: chiều dày lớp hấp thụ
Chuyển hai vế logarit cơ số tự nhiên ta có :
Đặt lnI0
I
I0
ln
KCd I
D (gọi là mật độ quang) D KCd
(3.17) (3.18)
Khi hạt keo có kích thước đủ lớn, ngoài tính nhiễu xạ ánh sáng hệ keo vẫn có khả năng hấp thụ ánh sáng. Và phương trình Lambert – Beer dùng cho hệ keo có sự hiệu chỉnh, với hệ số K = k1 + k2
Trong đó k1 là hệ số hấp thụ và k2 là hệ số khuếch tán của hệ.
Bằng thực nghiệm người ta chứng minh được rằng k1 phụ thuộc vào độ dài sóng ánh sáng tới, k2 phụ thuộc vào cả độ dài sóng của ánh sáng khuếch tán của hệ keo, vì vậy hệ số K cũng phụ thuộc vào hai yếu tố trên. Trong thực nghiệm người ta xác định mật độ quang có thể suy ra nồng độ hệ keo và hệ số hấp thụ K.
Màu của hệ keo liên quan tới cả hai hiện tượng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng.
Như vậy, màu của hệ keo phụ thuộc nhiều vào độ phân tán của hệ keo và chiều dài ánh sáng bước sóng tới.
Ví dụ: khi thêm vào thủy tinh một lượng keo vàng 0,001% thì thủy tinh có màu đỏ thẩm.