Рассеяние света в коллоидных и дисперсных системах представляет собой отклонение светового потока под действием частиц дисперсной фазы. Этот процесс тесно связан с размером, формой и оптическими свойствами частиц, а также с показателем преломления среды. В коллоидной химии рассеяние света является одним из ключевых методов изучения микроструктуры систем, позволяя получать информацию о размерах частиц, их концентрации, агрегатном состоянии и динамических процессах.
Теория Рэлея Применима для частиц, размеры которых значительно меньше длины волны света (d ≪ λ). Интенсивность рассеянного света I пропорциональна четвёртой степени частоты света и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны:
$$ I \propto \frac{1}{\lambda^4} $$
Интенсивность также зависит от объёма частиц V и разности показателей преломления дисперсной фазы np и среды nm:
I ∝ V2(np2 − nm2)2
Теория Рэлея объясняет явление голубого цвета неба и красного заката, а также используется для определения размеров коллоидных частиц в растворах.
Теория Ми Применима для частиц, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (d ∼ λ). Теория Ми учитывает дифракцию, отражение и преломление света на поверхности сферических частиц. Интенсивность и угловое распределение рассеянного света описываются сложными математическими выражениями, зависящими от диаметра частицы, показателей преломления и длины волны. Теория Ми особенно важна для изучения макроколлоидов, аэрозолей и суспензий.
Гибридные подходы Для систем с широкой полидисперсностью используют методы, объединяющие подходы Рэлея и Ми, учитывая распределение частиц по размерам. Такие модели позволяют количественно оценивать средний радиус частиц и дисперсию размеров.
Интенсивность рассеянного света зависит от угла наблюдения θ относительно падающего луча. Для частиц Рэлеевского типа распределение изотропно, а для частиц Ми наблюдается сильная ангулярная зависимость с максимумами и минимумами, обусловленными интерференцией рассеянных волн. Анализ углового распределения позволяет определять форму частиц, наличие агрегатов и степень полидисперсности.
Динамическое светорассеяние (DLS) Используется для измерения размеров частиц и их распределения по габаритам. Метод основан на анализе флуктуаций интенсивности рассеянного света, вызванных броуновским движением частиц. Скорость автокорреляции интенсивности позволяет определять диффузионный коэффициент D и гидродинамический радиус RH через уравнение Стокса–Эйнштейна:
$$ R_H = \frac{kT}{6 \pi \eta D} $$
где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, η — вязкость среды.
Статическое светорассеяние (SLS) Используется для определения молекулярной массы коллоидов и среднего радиуса частиц. Метод основан на измерении абсолютной интенсивности рассеянного света при различных концентрациях и углах, что позволяет строить зависимости типа Зиммера или Крюгера и извлекать информацию о молекулярной массе и угловой ориентации частиц.
Анализ полидисперсных систем Для реальных коллоидных систем с распределением размеров необходимо учитывать влияние разных фракций на интенсивность рассеянного света. Применяются методы инверсии автокорреляционных функций и регуляризации, позволяющие выделять отдельные компоненты полидисперсной смеси.
Рассеяние света является неинвазивным методом контроля качества коллоидных систем в химии, фармацевтике, пищевой промышленности и материаловедении. Оно позволяет получать количественные характеристики частиц, наблюдать кинетику агрегации, стабилизации и коагуляции коллоидов, а также контролировать условия синтеза и хранения дисперсных систем.