Rozchodzenie się fali w ośrodkach zależy zarówno od właściwości tych ośrodków, jak i długości fali. Na przykład, gdy długość fali jest porównywalna z odległościami międzyatomowymi (rzędu nm – promieniowanieemisja promieniowaniapromieniowanie rentgenowskie) w jej oddziaływaniu z ośrodkiem zaczynają przeważać efekty dyfrakcyjne, a kwanty promieniowania mają tak dużą energię, że mogą jonizować atomy i rozbijać cząsteczki. Z kolei światło widzialne nie przenika przez materię, a jedynie ulega takim efektom jak rozpraszanie, pochłanianie czy odbicie.

Do procesów towarzyszących oddziaływaniu fali elektromagnetycznej z ciałem stałym należą:

• odbicie padającego promieniowania,

• pochłanianie (absorpcjaabsorpcjaabsorpcja) padającego promieniowania,

• wyświecanie (luminescencjaluminescencjaluminescencja),

• transmisja,

• rozpraszanie promieniowania.

Reqmpc6xU5cUm

Ilustracja przedstawia procesy towarzyszące oddziaływaniu fali elektromagnetycznej z ciałem stałym. Na niebieski kwadrat padają promienie światłą w postaci czterech strzałek. Jedna z nich - dolna - ulega odbiciu od powierzchni kwadratu. Górna strzałka, przechodząc przez kwadrat, ulega zaabsorbowaniu, a następnie luminescencji. Wychodząc poza kwadrat z prawej strony strzałka się załamuje w dół - to światło emitowane. Druga od góry strzałka przechodzi przez kwadrat, załamuje się w dół po wyjściu - to transmisja. Przedostatnia strzałka, przechodząc przez kwadrat, ma liczne strzałki odchodzące w dół - to rozpraszanie. Strzałka nie wychodzi z prawej strony poza kwadrat.

Gdy powierzchnia rozdzielająca ośrodki nie jest gładka, następuje na jej powierzchni rozproszenie odbitego światła. Takie odbicie nazywamy odbiciem rozproszonym.

Cechy promienia (światła) rozproszonego:

• intensywność (natężenie – $\mathrm{I}$) $\mathrm{I}\sim {\mathrm{E}}_{\mathrm{o}}^2$ (kwadrat amplitudy pola elektrycznego),

• $\mathrm{I}\sim {\lambda }^{-4}$ (fale krótsze rozpraszają się silniej niż dłuższe, np. światło niebieskie jest rozpraszane silniej niż czerwone),

• $\mathrm{I}$ zależy od kąta rozpraszania $\mathrm{\theta }$.

Zależnie od wielkości cząstek, można wyróżnić rozpraszanie Rayleigha oraz rozpraszanie Mie.

Duże cząstki o wielkościach zbliżonych oraz większych niż długość fali padającego światła, rozpraszają światło do przodu – rozpraszanie Mie, natomiast cząstki o wielkościach mniejszych niż długość fali padającego na nie światła, rozpraszają światło do tyłu – rozpraszanie Rayleigha.

W wyniku rozpraszania do przodu (rozpraszanie Mie) wiązka światła opuszcza materię poruszając się w kierunku odchylonym od pierwotnego o kąt mniejszy niż 90°. Z kolei w wyniku rozpraszania wstecznego (rozpraszanie Rayleigha) promieniowanie biegnie wstecz względem pierwotnego kierunku ruchu o kąt większy niż 90°. Rozpraszanie do przodu oraz do tyłu dobrze ilustrują poniższe rysunki.

RyRis7blta77Y

Ilustracja przedstawia sposób rozpraszania światła. Na jednej ilustracji koło wypełniają drobne kuleczki. Przez koło przechodzi strzałka - skierowana z prawo. To źródło światła. Dookoła koła są krótkie strzałki równej długości. Opis: dla cząstek małych w porównaniu z długością fali światła: $$\mathbf{d}<<\lambda$$. Drugi obrazek przedstawia owal, w którym jest sześć dosyć dużych kulek. Padające światło sprawia, że po lewej stronie dookoła owalu są krótkie strzałki, wydłużają się po prawej stronie owalu. Opis: dla cząsteczek małych porównywalnych z długością fali światła $$\mathbf{d}\le \lambda$$.

Rozpraszanie Mie

Ten rodzaj rozpraszania występuje, gdy długość fali ≅ rozmiarowi cząstek. Jest odpowiedzialne za takie zjawiska optyczne jak poświata, czy tworzenie się korony wokół słońca lub księżyca. Zachodzi ono również na cząsteczkach kurzu oraz sadzy z dymu. Rozpraszanie Mie występuje także w dolnej troposferze.

Rozpraszanie Mie jest typowe dla koloidów. Roztwory koloidalneroztwór koloidalnyRoztwory koloidalne, czyli roztwory, w których substancje rozpuszczone tworzą fazę zdyspergowaną, a rozpuszczalnik jest ośrodkiem rozpraszającym, charakteryzują się ruchami Browna (ciągły, chaotyczny ruch drobin danej fazy rozproszonej w roztworze) i wykazują efekt Tyndallaefekt Tyndallaefekt Tyndalla.

R9AYooZir845s

Ilustracja przedstawia kropki połączone kreskami. Brak jakiejkolwiek regularności w ich położeniu. Są chaotyczne.

Efekt Tyndalla

Efekt Tyndalla, czyli rozproszenie światła na cząsteczkach fazy rozproszonej jest łatwe do zaobserwowania dla cząstek fazy rozproszonej o rozmiarach większych od długości fali świetlnej. Rozpraszanie zależy od długości fali światła oraz jego źródła. Widoczny efekt Tyndalla zaobserwujemy przy przepuszczeniu światła z latarki przez koloid. Im mniejsza jest długość fali światła, tym rozpraszanie jest większe. Z kolei przepuszczając światło lasera przez koloid efekt Tyndalla jest mniejszy, uzyskuje się efekt “świetlnego miecza”; intensywność światła laserowego utrudnia obserwację samego stożka Tyndalla.

Faza rozproszona składa się z cząstek o wielkościach w granicy od 1 · 10Indeks górny -9^-9 m do 1 · 10Indeks górny -7^-7 m, czyli od 1 nm do 100 nm. Drobiny tej wielkości można zobaczyć za pomocą ultramikroskopu lub mikroskopu elektronowego.

Inne cechy koloidów:

• znacznie bardziej trwałe niż zawiesiny;

• wykazują efekt Tyndalla;

• wykazuja właściwości kinetyczne zwane ruchami Browna;

Koloidami są m.in. białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy, zwane koloidami molekularnymi.

Przykładami koloidów, w których cząstki ciała stałego rozproszone są:

• w gazach - dym, kurz, pyły;

• w cieczach - zole (roztwory koloidalne), np. zole tlenków metali, koloidalne srebro w wodzie, roztwory, np. roztwory słodkich napojów, herbata, farby, wielkocząsteczkowe polimery;

• w ciałach stałych - barwne kryształy, szkło rubinowe, stopy metali.

Widoczny efekt rozpraszania można zaobserwować dla rozmiarów cząstki koloidalnej na poziomie 10Indeks górny -7^-7 m. Natomiast dla cząstek o rozmiarach na poziomie 10Indeks górny -10^-10 m, np. dla jonu sodowego, rozpraszania nie zaobserwujemy.

Ciekawym przykładem rozpraszania światła przez ciało stałe jest rozpraszanie światła przez zawiesinęzawiesinazawiesinę sferycznych cząstek złota w wodzie. Na poniższym zdjęciu widać zawiesinę cząstek złota o rożnym rozmiarze.

Mimo bardzo niskiego stężenia nanocząstek złota, ich barwy są bardzo wyraziste oraz silnie zależą od rozmiaru. To właśnie rozpraszanie decyduje o barwie zawiesin cząstek metalowych, a nie absorpcja światła, jak to ma miejsce dla bardzo małych cząsteczek barwnikowych.

Ciekawostka

Słońce wydaje się być żółte, ponieważ krótsze długości fali są w wyniku rozproszenia usunięte z widma wiązki przechodzącej. W przestrzeni kosmicznej słońce jest widziane przez człowieka jako białe, a to co nad głową, jest czarne.

RxxEnEjc9ibBy

Ilustracja przedstawia kulę wypełnioną małymi kulkami. To powietrze. Kula jest na niebieskim tle. Z lewej strony kuli w postaci strzałek pada światło słoneczne. W górę, w dół i w prawo z kuli w kierunku "na zewnątrz" wychodzą różnokolorowe krótkie strzałki.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.

Czaja M., Karawajczyk B., Ortyl J., Smaga A., Chemia 1, Podręcznik dla szkół ponadgimnazjalnych, Gdynia 2013.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.

Encyklopedia PWN

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod A., Sułkowski W., Chemia 1 podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.