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1、第24卷第10期2004年10月物理實驗PHYSICSEXPERIMENTATIONVol.24No.10Oct.2004收稿日期:2004206216修改日期:2004209205作者簡介:尚玉峰(1977)男山東東營人北京郵電大學(xué)物理實驗中心助教碩士從事物理實驗教學(xué)工作.動態(tài)光散射實驗尚玉峰蔣達婭肖井華楊胡江王鑫(北京郵電大學(xué)理學(xué)院物理實驗中心北京100876)摘要:動態(tài)光散射技術(shù)是測量納米及亞微米顆粒粒徑的有效方法.本文介紹了動態(tài)

2、光散射實驗的原理、實驗裝置及方法并測量了粒徑為85nm的聚苯乙烯水溶液的粒徑分析了實驗產(chǎn)生誤差的原因.關(guān)鍵詞:動態(tài)光散射自相關(guān)函數(shù)顆粒粒徑中圖分類號:TN247文獻標(biāo)識碼:A文章編號:100524642(2004)10200092031引言動態(tài)光散射技術(shù)是20世紀(jì)60年代國際上新興的一項實驗技術(shù)利用該方法能快速、準(zhǔn)確地測定溶液中大分子或膠體質(zhì)點的平動擴散系數(shù)從而得知其大小或流體力學(xué)半徑及其分布.其可測量范圍為nm～μm量級因此它是測量納

3、米及亞微米顆粒粒徑的有效方法具有測量范圍大、測量速度快、樣品量小并且不破壞不干擾體系原有狀態(tài)的優(yōu)點因此被廣泛應(yīng)用于生物工程、藥物學(xué)以及微生物領(lǐng)域.如今這項新技術(shù)在表面活性劑溶液膠團性質(zhì)、膠體溶液的穩(wěn)定性、微乳體系的物化性質(zhì)、高分子與生物大分子的溶液特性及分子內(nèi)部運動狀況、納米材料體系等諸多領(lǐng)域顯示了廣泛的應(yīng)用前景[12].2動態(tài)光散射實驗原理動態(tài)光散射又稱之為時間相關(guān)的光散射是測量光強隨時間起伏的變化規(guī)律.如果粒子處于無規(guī)則的布朗運動中

4、則散射光強度在時間上表現(xiàn)為在平均光強附近的隨機漲落它是由于從各個散射粒子發(fā)出的散射光場相干疊加而成的.懸浮液中的顆粒由于受到了周圍進行布朗運動分子的不斷撞擊而不停地進行隨機運動在激光的照射下運動顆粒的散射光強也將產(chǎn)生隨機的波動而且波動的頻率與顆粒的大小有關(guān)在一定角度下顆粒越小漲落越快.動態(tài)光散射技術(shù)就是通過對這種漲落變化快慢的測量和分析得到影響這種變化的顆粒粒徑信息.當(dāng)一束單色平行光照射溶液樣品上時遇到作布朗運動的球體粒子產(chǎn)生散射光.光

5、強的自相關(guān)函數(shù)G(2)(τ)可表示為[34]G(2)(τ)=〈I(t)I(tτ)〉=limT→∞1T∫T0I(t)I(tτ)dt(1)其中I(t)和I(tτ)為t和tτ時刻的散射光強.對于平穩(wěn)過程可取t=0自相關(guān)函數(shù)變?yōu)镚(2)(τ)=A[1β|g(1)(τ)|2](2)其中A為光強自相關(guān)函數(shù)G(2)(τ)的基線β為約束信噪比常量A和β都與實驗條件有關(guān).g(1)(τ)為電場自相關(guān)函數(shù).對于單分散顆粒系有G(2)(τ)=A[1βexp(2

6、Γτ)](3)其中Γ為Rayleigh線寬其表達式為[5]Γ=DTq2(4)q=4πnλ0sinθ2(5)其中DT為顆粒的平移擴散系數(shù)q為散射光波矢q的幅值n為溶劑折射率θ為散射角λ0為真空中波長.對于球形粒子DT可以由Stokes2Ein2stein公式給出DT=kBT3πηd(6)式中kB為Boltzman常量T為絕對溫度η為溶液粘度d為粒子直徑.對于多分散顆粒系電場自相關(guān)函數(shù)為單指計算得到實驗結(jié)果.如圖3(b)所示得到Г=2021

7、.55s1將實驗參量代入相應(yīng)公式得到粒子直徑d=87.03nm.通過獨立處理實驗數(shù)據(jù)更能加深對實驗的理解增強學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力.動態(tài)光散射法所得的測量結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)稱值相符存在較小的誤差.誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面:1)He2Ne激光器的功率輸出并非保持恒定.2)樣品池不是理想的矩形相鄰側(cè)面不完全垂直.3)光纖接收端加了自聚焦透鏡后可以增大接收光強.但由于接收面的增大使得在θ=90附近的光均被接收引入一定的誤差.4)室內(nèi)溫度的

8、變化對本實驗結(jié)果也有較大的影響.溫度變化的影響主要表現(xiàn)為對水的折射率和粘度的影響.5)實驗樣品溶液的配置時間對實驗結(jié)果有較大影響.實驗所配制聚苯乙烯樣品溶液在24h以后測量所得到的粒子直徑將明顯偏大其原因是顆粒間的結(jié)合形成了直徑更大的粒子故實驗前應(yīng)檢查所用樣品是否能繼續(xù)使用.5結(jié)束語將動態(tài)光散射技術(shù)引入實驗教學(xué)有助于學(xué)生了解和接觸新科技發(fā)展前沿開闊學(xué)生視野.該實驗儀器結(jié)構(gòu)簡單緊湊操作方便物理概念清晰能夠培養(yǎng)學(xué)生動腦動手能力和綜合運用知識

9、的能力該實驗適用于高等院校的本科生及相關(guān)專業(yè)研究生的光學(xué)實驗教學(xué).參考文獻:[1]HuGang.Emulsionglasses:Adynamiclight2scatteringstudy[J].Phys.Rev.E199959:715～721.[2]陳延如趙琦.隨機分布粒子側(cè)向散射光特性的研究[J].光學(xué)學(xué)報200323(9):1110～1113.[3]楊建文李峰等.分段自相關(guān)動態(tài)光散射法測量亞微米粒度[J].光學(xué)學(xué)報199818(5)

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11、u2jiangWANGXin(PhysicsLabatyBeijingUniversityofPostTelecommunicationsBeijing100876China)Abstract:Thedynamiclightscatteringisaneffectivemethodtomeasuregraindiameterinnanonsubmi2cron.Inthispapertheexperimentprincipledevice