Поведение луча света зависит от соотношения длины волны света (λ= 10-5–7,5∙10-5) и размеров частиц в растворе. Истинные растворы и чистые жидкости, в которых вещество раздроблено до молекул или ионов, свободно пропускают свет (т.н. оптически пустые растворы). Если размеры частиц больше длины световой волны, то свет отражается от поверхности частиц под определенным углом (характерно для грубодисперсных систем, например суспензии или эмульсии). Если размеры частиц меньше световой волны, то свет рассеивается (характерно для коллоидных систем, размер ≈10-5–10-7).
Подробно явление светорассеяния было изучено и описано Джоном Тиндалем (
В основе опалесценции лежит явление дифракции – огибания коллоидных частиц световой волной. Рассеянный свет распространяется от данной частицы во всех направлениях, в то время как отраженный только в одном, определяемом углом падения. Наблюдать светорассеяние можно, если пропускать световой пучок через линзу сквозь коллоидный раствор. Рассматривая этот раствор сбоку можно увидеть светящийся след светового пучка в виде конуса (эффект Фарадея-Тиндаля).
Теоретическое обоснование опалесценции дал Уильям Рэлей. Проходя через раствор, свет вызывает возбуждение атомов, и они сами начинают испускать кванты света. При этом если среда однородная (истинный раствор и все частицы имеют одинаковый коэффициент светопреломления), то излучаемый атомами свет интерферируется друг с другом и гасится. Если среда неоднородна, т.е. имеются участки с различными коэффициентами светопреломления, полного гашения не наблюдается. Тогда наблюдается свечение коллоидной системы.
Из уравнения Рэлея вытекает ряд следствий:
– интенсивность светорассеяния пропорциональна числу частиц ДФ в единице объема (концентрации) или объемной доле ДФ. На этом основано количественное определение концентрации коллоидных растворов с помощью специальных приборов (нефелометров);
– при постоянной концентрации ДФ интенсивность рассеяния света пропорциональна квадрату объема частиц или кубу радиуса. Истинные растворы, частицы в которых имеют очень маленький объем, проявляют весьма слабый эффект светорассеяния. В грубодисперсных системах, где частицы крупные светорассеяние уступает место отражению. Таким образом, по наличию или отсутствию эффекта светорассеяния судят о том, является ли данный раствор коллоидным или нет.
– интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны света в 4 степени. Это значит, что при прохождении через раствор белого (полихроматичного) света преимущественно рассеиваться должны наиболее короткие волны – синей и фиолетовой части спектра. Это подтверждается тем, что бесцветные коллоидные растворы имеют голубоватую окраску при боковом освещении (этим же объясняется голубой цвет неба, табачного дыма, синий цвет морской воды). Длинноволновые лучи – красные и желтые – проходят через раствор, почти не рассеиваясь. Поэтому в проходящем свете коллоидные растворы имеют красноватые оттенки (красный цвет восходящего и заходящего солнца). Именно поэтому красный цвет выбран в качестве сигнала опасности, так как его видно в тумане на большие расстояния, чем любой другой.