اندازه ذرات و توزیع آنها، به میزان زیادی متاثر از دانسیته، خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مواد است. روش پراش لیزر روشی است که به صورت گستردهای برای اندازهگیری ذرات مورد استفاده قرار میگیرد. اندازه گیری اندازه ذرات با استفاده از پرتونور لیزر به براساس دو دسته تصویری و غیرتصویری تقسیمبندی میشوند. به عنوان مثال پراکندگی نور پویا یا تکنیک DLS روش غیرتصویری بیانکننده برهمکنش بین نور و ذره است.
برهمکنش نور با ماده
در روش تعیین اندازه ذرات با استفاده از پراش لیزر، منبع نوری تکفام استفاده می شود.
در برهمکنش نور و ذره امکان رویداد چهار پدیده پراش، جذب، انعکاس و انکسار وجود که مقدار هر یک از این پدیدهها به طول موج نور و ویژگیهای اپتیکی ماده بستگی دارد.
پراکندگی نور
به طور کلی نور شامل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی است. در اثر برخورد نور با ماده، میدان الکتریکی نوسانکننده نور بر روی الکترونهای ذره تأثیر میگذارد و ارتعاش الکترونی در ذره ایجاد میکند. این عامل سبب میشود نور از مسیر خود منحرف شود. پراکندگی به صورت مجموعی از پراش، انکسار و انعکاس تعریف میشود. در پراکندگی نور، جذب در نظر گرفته نمیشود زیرا با جذب، انرژی دوباره نشر نمیشود و تبدیل میشود.
انواع پراکندگی نور
با توجه به فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی، روشهایی اندازه گیری که براساس پراکندگی نور می باشند به سه گروه الاستیک، شبه الاستیک و غیرالاستیک تقسیمبندی میشوند.
در حالت الاستیک، سیگنال پراکندگی شناسایی شده، براساس شدت نور متوسط – زمان می باشد و بنابراین انحراف فرکانس نور برخوردی اندازهگیری نمیشود. در پراکندگی شبه الاستیک، فرکانس نور پراکنده شده اختلاف کمی با نور برخوردی دارد و عمدتاً در محدوده چند هرتز تا چند صد هرتز است. این اختلاف فرکانس ایجاد شده ناشی از حرکت انتقالی و چرخشی ذرات است و مقدار آن رابطه مستقیمی با حرکت ذرات دارد. در پراکندگی غیرالاستیک، اختلاف فرکانس نور پراکنده شده و نور برخوردی بیش از چند صد هرتز است. در پراکندگی غیرالاستیک سیگنالهای پراکندگی برای ذراتی با جرم زیاد در مقایسه با الاستیک و شبه الاستیک بسیار ضعیف است و بنابراین کاربردهایی در آنالیز ذرات ندارد. از این پراکندگی اغلب در مطالعه ساختار مولکولها و مایعات استفاده میشود.
پراکندگی نور به صورت استاتیک یا (SLS= Static light scattering) در گروه الاستیک و پراکندگی نور به صورت دینامیکی (DLS= Dynamic light scattering) در گروه شبه الاستیک قرار دارند. در روش پراکندگی نور استاتیک، اطلاعات در مورد اندازه ذرات از ویژگیهای شدت الگوی پراکندگی در زوایای مختلف حاصل میشود. در حالی که در روش پراکندگی نور دینامیکی، اندازه ذرات با استفاده از ارتباط بین متغیرهای شدت نور و حرکت براونی ذرات تعیین میشود .
اصول کلی پراکندگی نور
ابزارهای اندازه گیری ذرات که براساس پراش نور عمل میکنند، سه فرض را به عنوان پیش فرض در نظر می گیرند:
1. ذراتی که نور را پراکنده میکنند، کروی هستند.
2. برهمکنشی بین نور پراکنده شده از ذرات مختلف وجود ندارد (به عبارت دیگر، پراکندگی مضاعف وجود ندارد).
3. الگوی پراکندگی در آشکارساز، مجموع الگوهای پراکندگی است که توسط هر ذره در اثر برهمکنش با نور برخوردی حاصل میشود.به منظور توضیح پراکندگی نور از ذرات کروی، مدلهای اپتیکی مورد نیاز هستند. راه حل پراکندگی نور توسط ذرات کروی با اندازههای مختلف بر اساس تقسیمبندی زیر است:
• زمانی که قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار بزرگتر باشد (d>>λ)؛ در این حالت از مدل Fraunhofer استفاده میشود.
• زمانی که قطر ذره قابل مقایسه با طول موج برخوردی باشد؛ از مدل Mie استفاده میشود.
• و اگر قطر ذره از طول موج برخوردی بسیار کوچکتر باشد (d<<λ)؛ در این حالت از مدل Rayliegh استفاده میشود .
در رابطه Rayliegh قطر ذرات 0.1 طول موج است. مدل Fraunhofer زمانی است که اندازه ذرات حدود 6-5 برابر از طول موج نور برخوردی بزرگتر باشند. در عمل طول موج دستگاهها 800-633 نانومتر است و بنابراین فقط برای ذرات بزرگتر از 4/8 میکرومتر میتوان از تقزیب Fraunhofer استفاده کرد. ذراتی که از این مقدار کوچکتر هستند با تئوری Mie آنالیز میشوند.
الگویی که توسط برخورد نور به ذرات و جمع شدن آن بر روی آشکارساز ایجاد میشود، تنها الگوی تفرق یا پراش نیست بلکه یک الگوی پیچیده پراکندگی است. متأسفانه آشکارسازی وجود ندارد که بین نور پراشیده شده و دیگر پدیدهها تمایز قائل شود. بنابراین نیاز است که دیگر پدیدههای پراکندگی نیز برای به دست آوردن نتایج یک آنالیز دقیق به کار گرفته شوند. راه حل این مشکل استفاده از فرمول Mie برای آنالیز است. این فرمول، تمام پدیدههایی که در اثر برخورد نور به ذرات کروی اتفاق میافتد را در برمیگیرد.
با خارج شدن پارامترهای پیچیده از آن در نهایت سه پارامتر تأثیرگذار، A شعاع ذره، W زاویه پراکندگی و پارامترهای اپتیکی و m ضریب شکست موهومی و حقیقی است. این تئوری از سه بخش تشکیل شده است، جمله اول پراکندگی Fraunhofer، جمله دوم پراکندگی Mie و جمله سوم پراکندگی Rayliegh است. اگر اندازه ذرات خیلی بزرگ باشد قسمت دوم و سوم بسیار کوچک هستند و بنابراین میتوان از آنها صرفنظر کرد و اگر ذرات بسیار ریز باشند، ترم اول بسیار کوچک بوده و میتوان آن را نادیده انگاشت.
در ذراتی که پراکندگی Fraunhofer را نشان میدهند، پراکندگی بسیار قوی به سمت جلو دارند و شدت نور پراکنده شده بسیار شدید است. ذرات کوچکتر که پراکندگی Mie را نشان میدهند، در این حالت پراکندگی به سمت جلو و شدت نیز کاهش مییابد. ذراتی که پراکندگی Rayliegh را نشان میدهند، الگوی پراکندگی بسیار متقارنی دارند. این ذرات اطلاعات زاویهای ندارند و بنابراین ذراتی با ویژگی Rayliegh به وسیله لیزر مورد آنالیز قرار نمیگیرند
اگر اندازه ذرات بسیار بزرگتر از طول موج نور باشد یا ماده به شدت جذب داشته باشد، ذرات مقداری از انرژی نور را به نسبت دو برابر سطح مقطعشان حذف میکنند. در این حال لبه ذرات تأثیر زیادی بر روی شدت پراکندگی میگذارند. یعنی پراش به وسیله خم شدن نور در اطراف ذرات است. در این موارد پراکندگی از قسمت داخلی ذره از اهمیت کمتری برخوردار بوده و نادیده گرفته میشود. برای ذرات بزرگ با توجه به تأثیر لبهها، تعدادی معادلات پراش برای توضیح الگوی پراکندگی در نظر گرفته میشود. ذرات به جای یک ذره سه بعدی مانند یک شیئ دو بعدی رفتار میکنند و فقط سطحی که در برابر نور برخوردی است، اهمیت پیدا میکند. پراش یک اثر فیزیکی مهم در تمام پدیدههای موجی است. دو گروه از پراکندگی با نامهای Fraunhofer و Fresel وجود دارند. پراکندگی Fraunhofer زمانی است که منبع مورد استفاده شامل پرتوهای موازی (موجهای صفحهای کوهرنت) باشد. پراکندگی Fresel نیز در حالتی است که منبع نور مورد استفاده منبع نقطهای باشد.
در مواردی که ذره بسیار بزرگتر از طول موج نور و جسم مات باشد، تئوری Fraunhofer در نظر گرفته میشود.