ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2013, том 114, № 4, с. 687-695
ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ОПТИКА
УДК 541.182:535.36
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДОВ
© 2013 г. В. В. Войтылов, М. П. Петров, А. А. Спартаков, А. А. Трусов
Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, Россия
E-mail: Vladislav.Vojtylov@paloma.spbu.ru Поступила в редакцию 11.05.2012 г.
Рассмотрены оптические и электрооптические свойства дисперсных систем, содержащих частицы, обладающие различными оптическими характеристиками, размерами и формами. Исследования показателя преломления ряда дисперсных систем показали, что он не зависит от концентрации частиц и равен показателю преломления окружающей их молекулярной среды, если размеры частиц превышают несколько десятков нанометров. Показано, что системы с такими частицами в электрическом поле практически не обладают двойным лучепреломлением, но обладают дихроизмом. Исследования систем с низкой концентрацией частиц позволили установить, что интенсивность света прошедшего сквозь скрещенные поляризаторы, между которыми находится ячейка Керра, заполненная коллоидом с соизмеримыми с длиной волны частицами, меняется пропорционально квадрату величины дихроизма, наведенного в коллоиде внешним полем. Линейно поляризованный свет, проходящий сквозь такую ячейку, остается в электрическом поле линейно поляризованным, но плоскость поляризации поворачивается на угол, тангенс которого пропорционален дихроизму коллоида. Предложен метод определения вклада двулучепреломления и дихроизма в наблюдаемые электрооптические эффекты.
DOI: 10.7868/S0030403413030276
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие внешнего электрического поля на дисперсную систему приводит к ориентации частиц дисперсной фазы в жидкой дисперсионной среде, что сопровождается появлением у системы в целом анизотропии, в частности оптической. Природа наведенной оптической анизотропии таких систем описана в работах Хеллера [1, 2], Бе-нуа [3], О'Конски [4], Толстого и Феофилова [5], Стоилова [6], Дженнингса [7] и других. Среди всех видов оптических изменений, наведенных электрическим полем, Хеллер выделяет двулуче-преломление, дихроизм и анизотропию светорассеяния.
Электрическое двойное лучепреломление (ДЛП) — эффект Керра. Анизотропия показателя преломления системы может быть связана с ориентацией частиц, обладающих анизотропией показателя преломления их вещества (внутреннее ДЛП). Другим фактором, определяющим ДЛП, может быть анизотропия формы частиц, если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды различны.
Электрический дихроизм, который может быть обусловлен как анизотропией показателя поглощения вещества частиц (консумптивный дихроизм), так и анизотропией светорассеяния на несферических частицах (консервативный дихроизм).
Электрическое светорассеяние — дитинда-лизм, которое может быть обусловлено анизотропией светорассеяния, связанной с ориентацион-ной упорядоченностью частиц. Анизотропия светорассеяния определяется как анизотропией показателя преломления вещества частиц, так и анизотропией формы частиц, если показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды различны.
Анизотропия светорассеяния и консервативный дихроизм связаны между собой и являются дополняющими друг друга явлениями.
В реальных дисперсных системах могут наблюдаться все указанные виды наведенной оптической анизотропии. Соотношение между ними определяется как оптическими свойствами частиц и дисперсионной среды, так и концентрацией, размерами и формой частиц.
Задачей электрооптики дисперсных систем является установление связи между наведенным полем изменением оптических свойств системы и электрическими, оптическими и геометрическими характеристиками частиц дисперсной фазы. Указанные выше виды оптической анизотропии не одинаково зависят от параметров частиц. Поэтому при анализе конкретных электрооптических эффектов необходимо знать, какими видами оптической анизотропии они определяются, и учитывать вклад каждого из них в наблюдаемый эффект. Оптимальным решением этой задачи яв-
ляется использование экспериментальных методов, которые связывают наблюдаемые электрооптические эффекты только с одним из видов наведенной оптической анизотропии.
В настоящей работе рассмотрены некоторые оптические и электрооптические особенности дисперсных систем с частицами, обладающими различными оптическими характеристиками, размерами и формой и определен вклад того или иного вида оптической анизотропии в наблюдаемые электрооптические эффекты.
РЕФРАКЦИЯ И ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ СМЕСИ
Если в чистую молекулярную среду внести добавки в виде малых молекул, макромолекул или надмолекулярных структур, превратив ее в смесь, содержащую релеевские рассеиватели разных типов, то показатель преломления света, мутность и интенсивность рассеянной энергии начнут меняться. Изменение показателя преломления определяется концентрацией внесенных дополнительных рассеивателей, а мутность и интенсивность рассеяния вбок флуктуациями концентрации, если их размеры малы и близки к размерам молекул. Возникновение ориентационных флук-туаций приводит к деполяризации рассеянного света, при линейной поляризации падающего. Появление устойчивого ориентационного порядка рассеивателей, не обладающих симметрией сферы или куба, приводит к появлению двойного лучепреломления и к превращению линейно поляризованного падающего света в эллиптически поляризованный прошедший свет. Также меняются интенсивность и поляризация рассеянного света, а мутность, как и показатель преломления, становятся зависимыми от поляризации проходящего сквозь смесь света. Если же размеры внесенных рассеивающих свет частиц соизмеримы или превышают по размерам флуктуации концентрации или плотности, то такая частица представляет собой постоянную флуктуацию, а рассеянная вбок световая энергия и мутность взвеси зависят от концентрации частиц. Оптические свойства таких смесей как при хаотической, так и упорядоченной ориентации частиц могут заметно отличаться от оптических свойств истинно молекулярных систем и растворов.
Молекулярные растворы
Исследование рефракции и двойного лучепреломления растворов является необходимой составляющей большинства молекулярно-оптиче-ских исследований электрических свойств молекул и химических связей входящих в них атомов. Если молекулы веществ, входящие в раствор не взаимодействуют, то при расчетах молекулярная
рефракция раствора определяется суммой молекулярных рефракций растворителя и растворенных веществ, умноженных на их молярные концентрации в растворе. Молекулярная константа Керра для таких растворов рассчитывается аналогично. Фазовые сдвиги между полем и наведенными диполями для молекул растворителя и растворенного вещества различаются, и когерентное рассеяние вперед молекул растворенного вещества меняет скорость распространения волнового фронта не меняя его формы. Для двухкомпонент-ных молекулярных смесей показатель преломления п определяется соотношением [8]
2 2 , NА п = п0 + 4п—АСа д,
М
(1)
где п0 — показатель преломления растворителя, С — концентрация растворенного вещества, М — его молекулярная масса, а — среднее значение электрической поляризуемости молекул растворенного вещества. Коэффициент д — это отношение напряженностей действующего электрического поля к электрическому полю световой волны. Для поля осциллирующей на оптической частоте волны можно считать, что действующее
поле — это поле Лоренца и д = (п2 + 2)/3. При концентрации С, близкой к нулю, д = (п2 + 2)/3, а инкремент показателя преломления определяется соотношением
с1п _ 2п NA ёС ~ п М
а д.
При воздействии внешнего поля, вызывающего ориентацию молекул, показатели преломления
п и п± лучей, поляризованных вдоль и перпендикулярно полю, отличаются от показателя преломления п при хаотической ориентации растворенных молекул. Если поляризуемость молекул растворителя существенно меньше поляризуемости молекул растворенного вещества, ориентация которых и определяет изменения показателя преломления раствора, то в соответствии с (1) можно записать
щ | = п0 + 4пN-AC(аУ, . а,
I и 0 м х 'I I-1*
(2)
где (а)| | ± — средние значения электрической поляризуемости вдоль и ортогонально внешнему полю молекул растворенного вещества. Действующее поле, а значит и д, не меняются при ориентации молекул [9]. Различие между щ и п± определяется только различием между средними значениями поляризуемости (а)| | и (а) ±. Их разность определяется соотношением
(аУ-(а) ± =УФ,
где у — анизотропия поляризуемости молекул [9], определяемая тензором оптической поляризуемости молекулы, Ф — фактор ориентационного порядка, определяемый тензором поляризуемости на частоте приложенного к раствору внешнего поля и действующим полем, вращающим молекулы. Отношение д0 величин вращающего поля к приложенному зависит от размеров, поляризуемости и постоянного диполя молекул. В зависимости от строения молекул действующее поле рассчитывается в соответствии с теориями Лоренца, Онзагера или феноменологической теории [9], в которой наведенный дипольный момент электронных оболочек определяется полем Лоренца, а ориентационный дипольный момент Дебая определяется полем Онзагера. При увеличении размеров молекул растворенного вещества отношение д0 должно уменьшаться. Для полярных взвесей с диэлектрической проницаемостью е коэффициент д0, учитывая вывод феноменологической теории, должен меняться в интервале
1 < д0 <4(е + 2)/3. Если поляризуемость молекулы обладает аксиальной симметрией, то у = ар -а^, где а р и а^ — значения поляризуемости молекулы вдоль оси симметрии и перпендикулярно ей [9]. Фактор ориентационного порядка таких молекул определяется соотношением
Ф = ^(008 0)) ,
где 0 — угол между осью симметрии молекулы и вектором напряженности внешнего поля, Р2 — второй полином Лежандра. Учитывая малое различие между показателями преломления Лц, и п, вместо (3) можно записать
Ап = п | - п_1 =
уф !С. п
М
(4)
Здесь Ы0 = ИАС/М — число молекул растворенного вещества в единице объема.
Заметим, что понятие показателя преломления
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.