Поглощение света коллоидными системами определяется взаимодействием электромагнитного излучения с частицами дисперсной фазы. При попадании светового потока на коллоидную частицу часть энергии излучения преобразуется в тепловую, вызывая нагрев частицы и окружающей среды, а часть может инициировать фотохимические процессы. Интенсивность поглощения зависит от размера частиц, их формы, химического состава и показателя преломления относительно среды.
Для частиц, размеры которых сравнимы или меньше длины волны света, поглощение описывается законами молекулярной оптики. При этом ключевым параметром выступает коэффициент поглощения α, который выражает пропорциональность между уменьшением интенсивности света и толщиной слоя коллоидного раствора:
dI = −αIdx
где I — интенсивность света, dx — путь прохождения через среду. Интегрированная форма закона дает экспоненциальное затухание света:
I = I0e−αx
где I0 — начальная интенсивность света.
Размер коллоидных частиц оказывает критическое влияние на поглощение. Для наночастиц с радиусом меньше 100 нм наблюдается резонанс плазмона свободных электронов, что приводит к избирательному поглощению света в видимой области спектра. Этот эффект характерен для металлических коллоидов, таких как золото и серебро, где наблюдается ярко выраженный максимум поглощения, зависящий от диаметра и формы частиц.
Форма частиц также изменяет спектр поглощения: сферические частицы создают один резонансный максимум, а продолговатые или дискообразные частицы могут демонстрировать несколько пиков, соответствующих разным ориентациям плазменных колебаний.
Поглощение света зависит от химического состава частиц. Полярные и металлические частицы демонстрируют более высокую способность к поглощению по сравнению с неполярными коллоидами органического происхождения. Влияние среды выражается через показатель преломления и диэлектрические свойства растворителя: чем ближе показатели преломления частицы и среды, тем слабее поглощение, так как уменьшается локализация электрического поля на поверхности частицы.
Коллоидные растворы в оптическом отношении рассматриваются как гетерогенные среды, но при малой концентрации частиц их поведение приближается к растворам молекулярного типа. В этом случае применяется закон Бера–Ламберта, позволяющий количественно связывать оптическую плотность с концентрацией частиц c и длиной светового пути l:
$$ A = \log\frac{I_0}{I} = \varepsilon c l $$
где ε — молярный коэффициент экстинкции. В коллоидных системах коэффициент экстинкции зависит не только от химического состава, но и от распределения размеров частиц.
Поглощение света коллоидными частицами служит основой спектроскопических методов анализа. УФ-видимая спектроскопия позволяет определить концентрацию коллоида, характер дисперсности и форму частиц. Для металлических коллоидов использование поверхностного плазмонного резонанса (SPR) позволяет получать информацию о размере и агрегатном состоянии частиц с высокой точностью.
Инфракрасная спектроскопия применяется для изучения поглощения молекул, адсорбированных на поверхности коллоидов, что позволяет выявлять химическую активность и взаимодействия с растворителем.
Поглощение света сопровождается перераспределением энергии на уровне отдельных частиц. Для металлических коллоидов энергия светового кванта вызывает возбуждение свободных электронов, что приводит к локализованным плазменным колебаниям. Для полимерных и органических коллоидов поглощение чаще связано с электронными переходами в молекулах, что сопровождается выделением тепла.
Энергетические изменения могут влиять на стабильность коллоидов, способствуя агрегации частиц или, напротив, увеличивая кинетическую устойчивость через динамическое движение и перераспределение потенциалов поверхностного заряда.
Поглощение света коллоидным раствором пропорционально числу частиц на единицу объема. При высоких концентрациях наблюдается эффект множественного рассеяния, который искажает простое экспоненциальное затухание. Агрегированное состояние коллоидов изменяет спектр поглощения: большие агрегаты сдвигают максимум поглощения в более длинноволновую область, увеличивая интенсивность и полосу поглощения. Этот эффект особенно выражен для металлических и полупроводниковых коллоидов.
Контроль поглощения света используется для определения размеров и концентрации коллоидных частиц, мониторинга процессов синтеза и стабилизации коллоидов, а также для разработки фотохимически активных материалов. Изучение спектров поглощения позволяет прогнозировать поведение коллоидов в биологических, промышленных и экологических системах.