Điều gì xảy ra với ánh sáng khi tương tác với một hạt?

Bởi vì bề mặt của hạt tạo ra một trường điện từ do sự có mặt của các electron và vì ánh sáng đại diện cho bức xạ điện từ nên ánh sáng có thể tương tác để tạo ra hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Trong nhiễu xạ, ở một khoảng cách nào đó phía sau của hạt tính từ vị trí của hạt hạt theo hướng của ánh sáng tới, một hình ảnh nhiễu xạ sẽ được ghi nhận. Hình ảnh này phụ thuộc vào kích thước của hạt và bước sóng của ánh sáng tới. Từ đó, có thể thu được thông tin liên quan đến kích thước của hạt.

Một số vật liệu không cho ánh sáng truyền qua và chúng hấp thụ năng lượng ánh sáng. Trong những trường hợp này, vật liệu đó có thể được xem là có chỉ số khúc xạ cực cao cũng như phần hấp thu của hạt lớn (xem phần Hạt trong suốt bên dưới). Trong trường hợp này, phương trình tính toán có thể được miêu thả theo Fraunhofer.

Trường hợp thứ 2, anh sáng có thể bị phản xạ từ bề mặt của hạt và việc sử dụng dữ liệu đó để phân tích kích thước hạt sẽ là vấn đề khác cần được thảo luận sau.

Trường hợp thứ ba xảy ra khi một hạt hầu như cho ánh sáng tới truyền qua. Trong trường hợp này, ánh sáng có thể truyền qua hạt giống như xuyên qua một viên kim cương. Đối với kim cương, ánh sáng bị khúc xạ và tạo ra hiệu ứng ánh sáng lấp lánh đặc biệt; tuy nhiên, khi ánh sáng truyền qua hạt tạo sẽ hình ảnh nhiễu xạ hoặc tán xạ Mie.

Những hiện tượng ánh sáng trên phụ thuộc vào yếu tố nào và chúng tương tác với nhau như thế nào?

Như đã đề cập ở trên, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng/tán xạ Mie chỉ phụ thuộc vào kích thước của hạt. Sự phản xạ không ảnh hưởng đến nhiễu xạ nhưng có thể ảnh hưởng đến khúc xạ nếu bề mặt phản xạ nhiều. Hiệu ứng khúc xạ sẽ là hiện tượng hạn chế lượng ánh sáng đi vào hạt và do đó làm giảm hiệu ứng khúc xạ trên hình nhiễu xạ.

Khúc xạ có thể có tác động đáng kể lên hình nhiễu xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của hạt. Một hạt cầu sẽ cho cùng một kiểu khúc xạ bất kể hướng ánh sáng tới. Trong một hệ thống đo kích thước hạt mà trong đó hạt hình cầu liên tục thay đổi hướng so với ánh sáng tới, hình ảnh nhiễu xạ thu được luôn giống hệt nhau và có thể được xác định rõ ràng (Hình 1)

Spherical Particle

Với hạt cầu, ánh sáng tán xạ tập trung tại 1 điểm. Việc xoay chuyển hạt không có gây ra sự thay đổi.

Hình.1: Peak phụ là hiện tượng giao thoa của hình ảnh nhiễu xạ của ánh sáng khúc xạ qua hạt cầu và nhiễu xạ tại bề mặt hạt cầu.

Khúc xạ ánh sáng còn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hình dạng của hạt. Các hạt không có dạng cầu cũng có thể khúc xạ ánh sáng và có thể tạo ra các hình ảnh khúc xạ chồng lên hình ảnh nhiễu xạ giống như một hạt hình cầu. Tuy nhiên, hiệu ứng có phần khác nhau. Khi các hạt chuyển động và xoay chuyển, mỗi phần bề mặt của hạt cho ra hiệu ứng khúc xạ và nhiễu xạ khác nhau. Hình ảnh khúc xạ trải rộng lấn trên nhiễu xạ và gần như không đổi và triệt tiêu hình ảnh nhiễu xạ nhiều hơn so với hạt hình cầu. (Hình 2)

Non-Spherical Particle

Ánh sáng tán xạ lan khắp nơi và không tập trung ở một vị trí. Do đó, ảnh hưởng của hệ số khúc xạ của các hạt không có dạng cầu nhỏ hơn nhiều so với các hạt hình cầu và sự hiệu chỉnh cũng ít cần thiết hơn nhiều

Hình 2. Có thể thấy cường độ của peak phụ đã bị triệt tiêu đáng kể. Ánh sáng khúc xạ qua một hạt không có dạng cầu sẽ rộng hơn so với hạt cầu. Vì thể trong trường hợp này, phương trình Mie biến đổi (Modified Mie) được sử dụng để xử lý hiện tượng giảm cường độ của peak phụ. Đây cũng là một chức năng đặc biệt ở Microtrac.

Tài liệu tham khảo: Application note 0181 Microtrac MRB

Xem thêm về thiết bị phân tích kích thước hạt tại đây