Специфика оптических свойств объектов коллоидной химии определяется их основными признаками: гетерогенностью и дисперсностью. Гетерогенность, или наличие межфазной поверхности, обусловливает изменение направления световых, электронных, ионных и других лучей на границе раздела фаз (отражение, преломление) и неодинаковое поглощение (пропускание) этих лучей сопряженными фазами. Дисперсные системы обладают фазовой и соответственно оптической неоднородностью. Лучи, направленные на микрогетерогенные и грубодисперсные системы, падают на поверхность частиц, отражаются и преломляются под разными углами, что обусловливает выход лучей из системы в разных направлениях. Прямому прохождению лучей через дисперсную систему препятствует также их многократные отражения и преломления при переходах от частицы к частице. Очевидно, что даже при отсутствии поглощения интенсивность лучей, выходящих из дисперсной системы, будет меньше первоначальной. Степень снижения интенсивности выходящих из системы лучей в направлении их падения тем выше, чем больше неоднородность и объем системы, выш^ дисперсность и концентрация дисперсной фазы. Увеличение дисперсности приводит к дифракционному рассеянию лучей (опалесценции).
Большинство указанных явлений подробно рассматриваются в курсе физики. В курсе коллоидной химии более детально излагаются некоторые специфические явления, такие, как рассеяние лучей, двойное лучепреломление и др. В то же время все перечисленные оптические свойства объектов коллоидной химии широко используются для их исследования оптическими методами.
Оптические методы принадлежат к самым распространенным методам исследования состава и структуры веществ и материалов. В коллоидной химии изучают состав и структуру не только (или не столько) отдельных фаз, но и в первую очередь межфазных поверхностных слоев и структуру дисперсных систем: определяют дисперсность системы (площадь поверхности), форму и строение элементов структуры (отдельных частиц), пористость, профиль поверхности, толщину слоев, их состав и при
роду сил взаимодействующих компонентов при адсорбции и адгезии, структуру слоев и ее дефекты, механические, электрические и другие свойства. Большинство названных параметров и свойств дисперсных систем и поверхностных слоев могут быть определены с помощью оптических методов.
Для исследования состава поверхностных слоев, определения функциональных групп на поверхности, межатомных и межмолекулярных связей широко используются традиционные оптические методы: спектроскопия (инфракрасная, ультрафиолетовая, комбинационного рассеяния), рентгенография, электронография и др. Применение этих методов для исследований дисперсных систем отличается специфическими способами приготовления испытуемых образцов, поскольку информация должна поступать от очень тонких слоев, толщиной порядка нескольких моноатомных или мономолекулярных слоев. Указанные методы исследования достаточно подробно излагаются в курсах физики и физической химии.
Следует отметить, что в последние годы особое развитие получили работы в области исследования твердой поверхности. Это связано как с огромным значением явлений, протекающих в поверхностных слоях, для катализа, коррозии, адгезии, трения и других практически важных процессов, так и с развитием электроники (микроэлектронные устройства, микроминиатюризация).
Потребности производства вызвали разработку и внедрение новых методов исследования: качественного и количественного анализа поверхностных слоев. Развитие получили методы, основанные на зондирующем воздействии на образец потоков фотонов, электронов, ионов, нейтральных частиц, электрического и магнитного полей и др. Все эти излучения (кроме магнитного поля) вызывают эмиссию вторичных частиц: электронов, ионов, фотонов или нейтральных атомов, передающих информацию о поверхности соответствующему детектору. Очевидно, что анализы проводятся в вакууме, поэтому указанные методы применимы только для анализа твердых поверхностей. Большинство из этих методов имеет разрешение по глубине не более 10 нм.
Методы анализа поверхности классифицируют в соответствии с природой зондирующего воздействия и эмиттируемых частиц. Анализ последних позволяет получать информацию о природе молекул и атомов, находящихся на поверхности, их пространственном и энергетическом распределении и количестве, что используется для установления состава, прочности связей и взаимного расположения атомов на поверхности. Существенным недостатком этих методов является их разрушающее действие на образец, который раскаляется в ходе исследования.
289 |
Наибольшее распространение получили вторично-ионная масс-спектрометрия (поток ионов вызывает эмиссию ионов),
19 Фролов Ю. Г.
Электронная оже-спектроскопня (поток электронов вызывает эмиссию электронов), полевая ионная микроскопия (ионизация и испарение атомов поверхности под действием электрического поля) и др. Теория и применение этих методов, интерпретация получаемой информации обсуждаются в специальной литературе.
Значительно меньше оптических методов, предназначенных для исследования поверхностных слоев на границе с жидкостью, что в первую очередь связано с невозможностью сохранения жидкого состояния в условиях высокого вакуума. Одним из ин- ‘формативных методов исследования адсорбционных слоев и пленок является, например, метод многократного нарушенного полного внутреннего отражения. Спектры внутреннего отражения позволяют определить величину адсорбции, толщину слоя, его анизотропию и установить закономерности их изменения.
В курсе коллоидной химии принято рассматривать только те ‘оптические методы, которые используются в дисперсионном анализе (анализе дисперсности) для определения размера и формы частиц, удельной поверхности, концентрации дисперсной фазы. К этим методам относятся световая и электронная микроскопия, методы, основанные на рассеянии лучей, двойном лучепреломлении и др.