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Das optische Verhalten der Metallkolloide und deren Teilchengre.

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489
2 . D a s optische V e r h a l t e n
d e r 2MetaEZlcoEloide u m d d e r e n l ' e i l c h e n g r o p e ;
von P e Eix E h r em h aft.
(Mitgeteilt aus den Sitznngsber. d. k. Akad. d. Wissensch. zu Wien.
Mathem-naturw. Klasse. 112. Abt. I1 a. 12. Februar 1903.)
Die nachfolgende Untersuchung bezweckt das optische
Verhalten von suspendierten , metallischen Teilchen , deren
Dimensionen klein sind gegen die Wellenrangen des Lichtes,
auf Grund der Resultate der elektromagnetischen Lichttheorie
zu charakterisieren und in Gegensatz zu stellen zu isolierenden,
suspendierten Teilchen derselben GroDenordnung , sowie auf
das Verhalten der Teilchen selbst und deren GroBe Ruckschliisse zu ziehen.
Die elektromagnetische Lichttheorie zeigt , daB zwischen
Isolatoren und Leitern der Elektrizitat strenge Unterschiede
bestehen. Aus vorliegender Untersuchung geht hervor , daB
diese Sonderung auch hier nicht bloJ3 eine zur Anordnung des
Themas zweckmafiige, sondern i m tieferen Wesen der Erscheinung wurzelnde ist. ES ist daher notig, zunachst die
theoretischen und experimentellen Resultate des optischen Verhaltens isolierender, suspendierter Teilchen zu kennzeichnen,
dann diesen das Verhalten der metallischen, suspendierten Substamen gegeniiberzustellen.
I. T e i l : P o l a r i s a t i o n .
Wenn in einem durchsichtigen Medium, etwa Wasser oder
Luft, feine Teilchen suspendiert werden, tritt eine Triibung
desselben ein. Das von einem solchen triiben Medium diffus
reflektierte Licht ist teilweise planpolarisiert und zwar am
starksten in jenen diffusen Strahlen, die in einer zum primaren
Strahl senkrechten Ebene zerstreut werden. Dies Phanomen
entdeckte T y n d a l l . Es fand seine Erklarung durch Lord
490
&.' Ehyenhaft.
R a y l e i g h s l) Theorie, deren fur uns wichtige Resultate hier
angefuhrt werden.
Falit in einem Medium, in dem isolierende Kugeln eingebettet sind, deren Dimensionen klein sind gegen die Wellenlangen des Lichtes, das etwa durch obenerwahnte triibe Medien
oder kolloidale Suspensionen reprasentiert wird ein planpolarisierter Lichtstrahl auf eine solche Kugel, dann erfordert
die Rayleighsche Theorie das Qerschwinden des zerstreuten
Lichtes in der Ebene senkrecht zur Richtung des einfallenden
Strahles in allen Punkten der Normalen zum magnetischen
Vektor des Lichtes. Trifft umgekehrt eine Well8 natiirlichen
Lichtes ein solches Medium, d a m wird das primar zerstreute
Licht vollsthdig polarisiert in allen Punkten der durch das
Zentrum der Kugel senkrecht zum einfallenden Strahl gelegten
Ebene, wobei die bevorzugte Schwingungsrichtung senkrecht
zum Primarstrahl ist. Die Polarisation kann aber, wie S o r e t z,
bewiesen hat, nur bei jenem Licht eine totale sein, das nur
einmal diffus zerstreut wurde. Erleidet ein Lichtstrahl eine
mehrfache Zerstreuung an anderen Kugeln) so bleibt die
Polarisationsebene sowie die Lage des Maximums der Polarisation zwar dieselbe, durch die Komponenten des sekundar
zerstreuten Lichtes wird jedoch die Totalitat der Polarisation
gedriickt. Erst Teilchen, deren Dimensionen an die Lichtwellenlangen heranragen, werden Licht nach den gewShnlichen
Gesetzen der Optik reflektieren und so die Reinheit der Erscheinung storen.
J. J. T h o m s o n hat in dem Artikel ,)Uber die Zerstreuung elektrischer Wellen durch Metallkugeln" das Analogon
fur die Leiter der Elektrizitat gelost. Trifft ein planpolarisierter
Lichtstrahl) dessen magnetischer Vektor senkrecht, dessen
elektrischer Vektor in der Zeichenebene schwinge, eine Metallkugel, deren Dimension klein ist gegen die Wellenlange des
Lichtes, so verschwindet das zerstreute Licht in der Ebene,
die durch das Zentrum der Kugel senkrecht zum magnetischen
Vektor gelegt ist, langs der Geraden, die einen Winkel von 120°
)
1) Lord R a y l e i g h , Phil. Mag. (5) 12. p. 81. 1881.
2) C. S o r e t , Archives de sciences de Genhve 20. p. 429. 1888.
3) J. J. T h o m s o n , Recent researches in Electricity and Maguetism
p. 437. 1893.
Optisches Verhalten der Metallkolloide etc.
49 1
mit dem einfallenden Strahl bildet, an dem Punkte, an dem
die Welle die Kugel zum ersten Male trifft. Wenn also umgekehrt nicht polarisierte elektrische oder Lichtwellen eine
Kugel treffen, die obige Bedingungen erfiillt, dann ist die Richtung, in der das diffus reflektierte Licht planpolarisiert ist,
unter einem Winkel von 120° gegen den einfallenden Strahl
geneigt. Die bevorzugte Schwingungsrichtung ist senkrecht
zum primaren Strahl. Der theoretischen Behandlung des
Spezialfalles, daB die eingebettete Metallkugel klein ist gegen
die Wellenlangen des Lichtes, liegen zwei Voraussetzungen zu
Grunde, auf deren Erfiillung wesentlich zu achten ist :
1. Bedeutet c den spezifischen elektrischen Widerstand,
p die Permeabilitat, a den Kugelradius, 1 die Wellenlange der
einfallenden Schwingung, Y deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit, so muB
2 71 vp a?
sehr groB sein.
~
~
AU
2. Da der Kugelradius sehr klein sein sol1 gegen die
Wellenlange der einfallenden Schwingung, so mu6
2na
~~
i.
lilein sein.
Ebenso wie bei isolierenden suspendierten Teilchen , wird in
einem Medium, in dem eine groBe Zahl solcher metallischer
Kugeln eingebettet ist, die Lage der Polarisationsebene nicht
geandert, wohl aber die Totalitat der Polarisation gedriickt.
Dagegen wiirden Teilchen, deren Dimensionen die Lichtwellenlangen erreichen oder iiberschreiten, dns Licht nach den gewohnlichen Gesetzen der Metallreflexion zerstreuen uad so die
Reinheit der oben beschriebenen Erscheinung storen.
Die diffuse Reflexion des Lichtes an suspendierten, gegen
die Lichtwellenlangen kleinen Metallteilchen folgt also anderen
Gesetzen als denjenigen, die bei der analogen Erscheinung an
isolierenden Partikeln, dem Tyndallphanomen herrschen.
Denn wenn nicht polarisiertes Licht auf ein Medium trifft,
in dem kleine, isolierende Kugeln eingebettet sind, dann hat
das diffus redektierte Licht das Maximum der Polarisation in
allen Punkten einer durch das Kugelzentrum senkrecht auf
die Richtung des einfallenden Strahles gelegten Ebene.
492
3. Ehrenhaf?.
Wenn dagegen Licht durch leitende, gegen die Lichtwellenlangen kleine Kugeln diffus zerstreut wird , dann sind
die Punkte der starksten Polarisation auf einem Kegelmantel
gelegen , dessen Achse durch die Fortpflanzungsrichtung der
einfallenden Strahlen gegeben ist und dessen halber Scheitelwinkel 120° betragt.
Uber die Herstellung von Substanzen , bei welchen Teilchen eingebettet sind, die obige Voraussetzungen erfullen also nicht magnetische Metallpartikeln, deren Dimensionen im
Vergleich zu den Wellenlangen des Lichtes klein sind -, wird
vor den experimentellen Resultaten dieser Arbeit berichtet.
Damit sind die entsprechenden theoretischen, Fundamente
des ersten Teiles festgestellt und es sollen nun einesteils die
bereits vorhandenen experimentellen Resultate erwahnt. werden,
andererseits die Methode, sowie die Resultate der nachfolgenden
Untersuchung angefuhrt werden.
Methode der Untersuchung.
Die Polarisationsmessungen wurden mit dem Photopolarimeter von C o r n u ausgefiihrt. Die durch ein achromatisches
Linsensystem parallel gemachten Zentralstrahlen einer sehr
konstanten Bogenlampe fielen senkrecht auf die Seitenflache
eines planparallelen Glastroges in das Innere der jeweiligen
Fliissigkeiten, in welchen die Teilchen suspendiert waren. Auf
Abblenden jedes natiirlichen oder von den Trogwanden oder
anderweitig reflektierten Lichtes wurde sorgfaltig geachtet.
Da die Lichtstrahlen an der Oberflachenschichte durch
am Trog angebrachte schwarze Papierstreifen abgeblendet
wurden, konnte in das Polarimeter nur aus dem Innern der
Flussigkeit diffus reflektiertes Licht gelangen.
Der Gang der Untersuchung war etwa folgender : Zunachst
wurde bei allen Messungen die Polarisationsart des diffus
reflektierten Lichtes untersucht. Da Gang und Resultat bei
allen Suspensionen gleich ist, ist es zweckmafiig , dies gleich
hier anzufiihren.
Das diffus reflektierte Licht zeigte, mit einem Nicol als
Analysator untersucht , ein Intensitatsmaximum, jedoch bei
keiner Stellung des Analysators. die Intensitat 0. Bei Einschaltung einer il14-Platte vor den Analysator mit der Haupt-
Optisdies Perhulten der Metullkollvide etc.
493
schwingungsrichtung parallel der Maximumstellung des Analysatorhauptschnittes gibt es keine Analysatorstelle mit der
Intensitat 0. Dieselbe Stelle wie vorher verbleibt die Maximumstellung. Daher haben wir es in allen Fallen der nachfolgenden Untersuchung mit teilweise linear polarisiertem Lichte zu
tun. Die Polarisationsebene ist in allen Fallen gegeben durch
die durch das einfallende und diffus reflektierte, beobachtete
Strahlenbiindel Gxierte Ebene. Die bevorzugte Schwingungsrichtung ist also senkrecht zu dieser.
Die quantitativen Messungen wurden mit dem C o r n u schen
Photopolarimeter, einem auBerordentlich zweckdienlichen
Apparate vorgenommen, der nebst den zur Polarisationsmessung
notigen Drehungen noch eine an einem Teilkreis ablesbare
Drehung in der Vertikalebene gestattete, um das Polarimeter
in verschiedene Neigung gegen den einfallenden Strahl einzustellen. Es mug an dieser Stelle nuf eine ausfuhrliche Beschreibung des seinen Hauptbestandteilen nach aus einem
doppeltbrechenden Wollaston mit Teilkreis und einem Nicol
mit Teilkreis bestehenden Apparate verzichtet und auf die
Literatur verwiesen werden. 1) Das Polarimeter wurde unter
dem jeweilig angefiihrten Winkel gegen die parallel einfallenden Primiirstrahlen justiert , soda6 in den Strnhlengnng des
Apparates nur Licht gelangen konnte, das aus dem Flussigkeitsinnern diffus reflektiert wurde und die von den primaren
Strahlen nicht durchleuchtete Oberflachenschichte durchdringen
mu8te. Hierauf wurde die Lage der Polarisationsebene bestimmt, dann zuerst in dieser, sodann in der darauf senkrechten
Ebene der Nicol auf gleiche Helligkeit der Felder im Polarimeter eingestellt.
Der Sinus der Differenz der beiden Ablesungen gibt eine
der Polarisation proportionale GroBe. Bedenkt man, daB bei
total linear polarisiertem Lichte 100 Proz. des Lichtes senkrecht zur Polarisationsebene schwingen, so ergeben sich bei
den nachfolgenden Messungen die Prozente des senkrecht zur
Polarisationsebene schwingenden Lichtes durch das in den
1) KongreBberichte der Association frauqaise 1882 und 1890 oder
J. M. P e r n t e r , Denkschrifteu der math.-naturw. Klasse der k. Akad.
d. Wissensch. zu Wien' 73. p. 301. 1901.
lf’.Ehrenhaft.
494
Tabellen durchwegs angefuhrte Produkt 100 sin (w2 - q),wenn
o2 bez. o1 obenerwahnte Ablesungen bedeuten. E=s wurden
sowohl in der Polarisationsebene als auch senkrecht zu dieser
5-6 Einstellungen gemacht, welche gut iibereinstimmten. Alle
Einstellungen wurden in einem abgedunkelten Raume mit an
Dunkelheit akkommodierten Augen gemacht, indem ich mit dem
Kopfe unter einem schwarzen Tuche blieb. Um die Abhangigkeit der Polarisation von der Wellenlinge zu untersuchen,
wnrdc das Licht zunachst durch einen Prismensate B vision
directe in seine Farben zerlegt. Schon bei Vormessungen
zeigte es sich, da6 der Mittelwert aus den Gro6en der Polarisation in den einzelnen Farhen im Verhaltnisse zur Crr66e der
Polarisation im weifien Lichtc zu hoch war. Veranla6t wurde
dies durch den Umstand, daW das Licht durch den Prismensatz h vision Beimengungen polarisierten Lichtes erhielt. Bei
Zerlegung des Lichtes durch ein 60°-Flintglasprisma, mit dem
nnchfolgende Messungen durchgefuhrt wurden, war keine Komponente polarisierten Lichtes beigemengt, sowie auch erhiihte
Lichts tarke erreicht.
Herstellung der zur Untersuchung verwendeten Suspensionen.
Da die Messungen an isolierenden, nicht metallischen
Suspciisionen bei verschiedenem Material ausgefuhrt und deren
Ubereinstimmung mit der Theorie bestatigt ist, wurden als
Vertreter der isolierenden suspendierten Teilchen blo6 kolloidales
Arsensulfit, das auf bekanntem chemischen Wege hergestellt
wurde und kolloidale Kieselsaure untersucht. Die Xigenschaften
der metallischen Suspensionen wurden an den Metallkolloiden
untersucht. Dieselben wurden nach der von €3 r e d i g angegebenen
Methode unter Leitfahigkeitswasser im elektrischen Lichtbogen
zerstiiubt. Ilestilliertes Wasscr wurde wiederholt durch eine
Zinnrohre uber alkalischem Permanganat aus Wiener Normalglasflaschen in solche destilliert , sodann durch einen Strom
kohlensiiurefreier Luft von dieser gereinigt, sodaB die spezifische
Leitfahigkeit auf 1-2.10-6
sank. Bezuglich der naheren
Details der Herstellung sci auf die Bredigsche Monographie l)
1) 8.B r e d i g , Anorganische Fermente. Leipzig. Verlag
mann 1901.
W. Engel-
Oplisches Yerhalten der iWetallkolloicle etc.
49 5
beziiglich der Edelmetalle , beziiglich der kolloidalen Suspensionen bez. der Hydroxyde von Cu, Co, Fe, Ni auf die Mitteilung
des Verfassers l) verwiesen. Nur fur das kolloidale Au sind
einige Andeutungen zweckmaBig. Schwarze, schwarzviolette,
rotviolette Goldsole von groBerer oder geringerer Haltbarkeit
herzustellen unterliegt keirier sonderlichen Schwierigkeit. Dagegen erfordert die Herstellung rubinroter, in derselben Farbennuance monatelang haltbarer Sole Sorgfalt und Ubung. Es
wurden Feingolddriihte von ca. 1,5 mm Durchmesser bei moglichst kleinen Stromstarken (1-2 Amp. bei 120 Volt) in kleinen
Quantitaten Wassers von der spezifischen Leitfahigkeit
1-2.
zerstaubt. Bei Bildung des Lichtbogens unter
Wasser schieBen zunachst schwarze Wiilkchen aus der Kathode.
Jetzt wurde tropfenweise dem Wasser eine verdiinnte Losung
kohlensaurefreien NaOH zugesetzt, und zwar so lange, bis die
aus der Kathode schieBenden Wolkchen rot gefarbt waren.
Es geniigt schon eine Spur dieses Zusatzes; bei groDerem
Alkalixusatz erfolgt leicht, manchmal sogar sehr bald ein
Farbenumschlag des Sols. Es wurde die Zerstaubung also
bei der Minimalstromstarke mit dem geringst rnoglichen Alkalizusatz ausgefuhrt, durch Eiskuhlung bei Bereitung des Kolloides
in einem moglichst dunnwandigen GefkBe die Erhitzung des
Wassers verhindert. Das filtrierte Goldsol wurde in ausgedampften Normalglasflaschen aufbewahrt ; es gelang so tiefrubinrote Kolloide herzustellen, die nunmehr 8 Monate ihre
Farbe nicht anderten. Der Metallgehalt des Kolloides wurde
auf nachfolgeude Weise bestimmt. Ein kleines ausgedampftes
Becherglas aus Normalgas wurde ausgewogen, sodann in demaelben eine bestimmte Quantitat Kolloides durch eine Spur
Salzsaure gefallt, sodal3 das Metall den GefaBboden als Bodensatz bedeclrte. Das daruber befindliche Wasser wurde mit einem
Heber zum Teil entfernt, der Rest verdampft, darauf das
Becherglas mit dem gefallten Metall, sodann nach Hntfernung
des metallischen Bodensatzes wieder gewogen, um eventuelle
Gewichtsverluste konstatieren zu konnen, die aber bei ausgedampftem Normalglas hochstens 0,0001 g betrugen. Um
I) F. E h r e n h a f t , Sitzungsber. d. k. Akad. d. Wissensch. z. Wien
1902 ; Akademischer Anzeiger Nr. 18.
F.Ehrenhaft.
496
sich von der Genauigkeit dieser Methode zu uberzeugen, wurde
die Fallung und WBgung an demselben Kolloide ofters ausgefuhrt, wobei sich fur den Metallgehalt in 100 cm3 Werte
ergaben, die entweder ganz ubereinstirnmten oder urn 0,0001 g
differierten.
Polarisationsmessungen an isolierenden suspendierten Teilchen.
-
Eine Reihe von Untersuchungen bestatigt das T y n d all
sche Phanomen, dai3 in reinen truben Medien das seitliche
Licht senkrecht auf den einfallenden Strahl das Maximum
der Polarisation besitzt, z. B. an Mastixsuspensionen in Wasser,
am blauen Dampfstrahl und ahnlichem. P e r n t e r zeigte in
der schon zitierten Arbeit, da8 bei stark konzentrierten Mastixsuspensionen fur rotes Licht das Maximum der Polarisation
noch bei 90°, fur grunes und violettes jedoch urn T o davon
entfernt war und erklart dies durch die TeilchengroBe, welche
noch hinreichend klein fur die langwelligen Strahlen, aber
nicht mehr fur die kurzwelligen waren.
Nachfolgende Tabellen geben die Resultate der Messungen
an im auf- und durchfallenden Lichte orangegelb gefarbten
Arsensulfit und an wasserheller kolloidaler Kieselsaure wieder.
Abhangigkeit der Polarisation vom Winkel gegen den einfallenden Strahl.
-
Arsensulfit
Neigung gegen
den einfallenden
I
Strahl
100 sin (a,- mi)
70 O
80
85
90
100
110
120
130
-
ao,8
71,4
646
67,O
5a,9
Kieselslure
11
LOO sin (a2- wl) 100 sin (aa- al)
72,5
78,O
a4,4
83,8
75,7
-
66,9
78,a
85,7
a2,9
81,7
73,7
-
Die angefuhrten Zahlen bedeuten die Prozente des senkrecht zur Polarisationsebene schwingenden Lichtes.
Die
Messungsreihe I1 ist an einem konzentrierterem Kolloide ausgefuhrt.
Optiscltes I erfiulten det. Zetullkolloide etc.
497
A r s e n s u 1 fit.
Alhiingigkeit der Polarisation vor der Korizentration uriter 900
gegen den eiufallenden Strahl.
‘I’cile
Wasser
I
Kolloid
30
18
10
100 sin ( w 2 -
1
A r s e n s u l f i t.
Abhlngigkeit der Polarisation von der Wellenliinge.
Farbe
des Lichtes
Rot
Rotorange
Orange
Gelbgrun
Griin
Blauviolett
100 sin (ma - wl)
34,5
46,9
774
753
75,4
total absorbiert
100 sin (aI
10 Teile Wasser
- GI>)
+ 1 Teil ASS
20,3
43,7
39,l
13,7
Das Polarisationsmaximum liegt bei Arsensulfit unter 87 $ 0 ,
bei kolloidaler Kieselsaure unter 90° gegen den einfallenden
Strahl, das Maximum in AbhSingigkeit von der Wellenlange
im Orange. Wahrend aber bei Mastixsuspensionen bei zunehmender Konzentration die Starke der Polarisation abnimmt
wegen der groI3eren Zahl der eingebetteten Teilchen , deren
Dimensionen an die Lichtwellenlangen heranreichen, zeigt sich
beim Arsensulfit vom ganz verdiinnten Zustand bis zum konzentriertesten Kolloid stetige Zunahme der Polarisation , eine
Erscheinung, die, wie im zweiten Teile dcr Arbeit gezeigt wird,
auf auBerordentliche Kleinheit der Teilchen und Abwesenheit
aller die Erscheinung stkenden grijBeren Partikcln zuruckzufuhren ist. Annalen der Phydk. IV. Folgo
11
32
498
3’. Ehrenhaft.
Polarisationsmessung an metallischen Suspensionen.
Prof. T h r e l f a l l l ) hat bei einer an Gold, Platin, Eisen und
Eisenoxydsuspensionen vorgenommenen Untersuchung den von
&r Theorie geforderten Unterschied zwischen diesen und
Mastixemulsionen nicht konstatieren konnen. In einem Anhang an diese Arbeit teilt J. J. T h o m s o n l ) mit, daB auch
er schon dasselbe negative Resultat erhalten habe und erklart
dies in Ubereinstimmung mit Maxwell und W i e n durch den
wesentlich hoheren Widerstand, den die Metalle den so raschen
Wechselstrtimen des Lichtes entgegensetzen. Nachfolgende
Untersuchung scheint zu zeigen , da6 nicht dies die Ursache
der Nichtubereinstimmung gewesen ist, sondern daB die untersuchten Metallsuspensionen den engen von der Theorie geforderten Voraussetzungen nicht entsprachen.
Nach dem zweiten Teile dieser Untersuchung wird es
notig sein, nochmals darauf naher zuriickznkommen. Dieselbe
wurde, wie schon erwahnt, an den Metallkolloiden, die mit
groBtmbglichster Sorgfalt hergestellt waren, ausgefiihrt.
Die Abhangigkeit der Polarisation vom Winkel gegen den
Primarstrahl, von der Wellenlange und von der Konzentration
wurde gemessen an zwei kolloidalen Ag von brauner und
hraungriiner Farbe, an drei Sorten kolloidalem AU von rubinroter, violetter und schwarzvioletter Farbe, an braunem,
kolloidalem Pt, an kolloidalem Cu (griiner Farbe), letzteres in
ganz frischem Zustand. Endlich an im Lichtbogen zerstaubtem,
kolloidalem Eisenhydroxyd sowie grob suspendiertem Hg.
Zuerst wurden im wei6en Lichte die Winkel der starksten
Polarisation aufgesucht, dann unter dieaer Neigung die Abhangigkeit von der Konzentration, sowie von der Wellenlange
untersncht. Nachfolgende Tabellen enthalten die Resultate.
1)
J. J. T h o m s o n , Phil. Mag. 38. p. 445. 1894.
Optiscites Yerhalten der Metallkolloide etc.
499
Si 1b e r.
Abhlngigkeit der Polarisation vom Winkel gegen den einfallenden Strahl.
Winkel
-
00 sin (w, w 1 00 sin (a,- wl: 00 sin (wp- wl)100 din (0,-a1)
-
-
-
-
60
70
80
90
100
110
115
120
130
32,6
37,7
40,4
39,2
37,5
23,l
Metal
gehalt
0,00202 g
-
-
46,s
49,2
34,2
38,3
43,s
47,5
34,s
-
35,O
36,O
37,5
38,7
48,4
52,3
-
-
45,7
41,s
-
-
0,00808 g
Abhiingigkeit der Polarisation von der Wellenllnge l l O o gegen den
einfallenden Strahl.
Farbe des Lichtes
Rot
Gelborange
Gel bgriin
Griin
Blau
Violett
WeiS
Metallgehalt
in 100cma
-
100 sin (ae- w,)
100 sin (w2 wl)
15,7
41,9
63,O
74,O
72,s
63,9
51,s
22,s
43,s
0,00508g
0,00404 g
-
62,3
47,7
-
43,4
Abhilngigkeit der Polarisation von der Konzentration 1l o o gegcn
den einfallenden Strahl.
Metallgehalt
pro 100 cm8 in g
0,00073
0,00202
0,00231
0,00404
0,00808
100 sin (wn - q)
40,2
40,4
41,5
43,7
49,l
32f
F. Ehrenhaft.
500
Gold.
Abhtingigkcit der Polarisation vom Winkel gegen den einfallenden Strahl
Winkel
LOO sin (w2- ol) 100 sin (we - wl) 100 sin (wg - wl)
70
80
90
100
110
115
120
125
I30
140
Metallgehalt
pro 100 cma
-
-
-
__
50,O
-
-
60
51,8
55,s
60,2
60,3
57,9
57,4
5542
I -
54,5
55,6
56,l
33,4
34,2
39,s
41,5
50,7
-
53,7
-
-
50,3
51,9
0,008i g
-
Abhangigkeit der Polarisation von der Wellenlange gegen den einfallenden Strahl.
Farbe des
Lichtes
Unter 90'
Blau u. Violett
WeiB
Sorte
1200
100 sin (oa- wl) LOO sin (w2- wl) LOO sin (we- w l )
Rot
Orangegelb
Grun
Grenze zwischen
1200
}
48,2
41,2
394
45,l
63,6
82,9
52,2
63,6
79,9
3375
71,7
76,2
41,6
55,9
58,8
Au I
Au I1
Au I11
Abhhgigkeit der Polarisation von der Konzentration.
120' gegen den einfallenden Strahl.
Metallgehalt
pro 100 cm3
100 sin (we- ol)
0,0007
0,00226
0,00395
0,0079
49,7
50,4
55,l
56,l
Optisches Terhalten der Metallkolloide etc.
501
Platin.
Abhangigkeit der Polarisation
von der Wellenllnge
Winkel gegen
den einfallenden 100 sin (w2 wl)
Strahl
-
900
110
115
120
130
Metallgehalt pro
100crnS
Winkel
gegen den
einfallenden
StraL'
Rot
57,4
61,4
62,4
58,s
I1
56,5
o,oo508
Kupfer
Farbe des
Lichtes
~
Orange
Grun
Rlau
Violett
46,6
52,2
76,4
75,2
70,3
WeiB
62,4
Eisen
100 siu (w,- w,) 100 sin (up-w,)
900
100
31,7
110
120
130
34,2
39,l
-
30,1
100 sin ( w p- wl)
Grabsuspendiertes
Quecksilber
100 sin (w2 - wl)
70,l
68,s
68,2
54,s
50,o
47,5
60,2
-
-
Samtliche Metallkolloide polarisieren das griine Licht
wesentlich starker wie das rote und blaue. BloB ein kolloidales
Gold, das auch i m zweiten Teile der Untersuchung eine Ausnahmsstellung einnimrnt, zeigt unter 90° gegen den einfallenden
Strahl gemessen eine vom Roten gegen das Violette abfallende
GroBe der Polarisation.
Wie aus den vorstehenden Tabellen oder der Fig. 1 zu
entnehmen ist, stimmen die Winkel der maxirnalen Polarisation
mit den von der Theorie geforderten 120° teils ganz iiberein,
teils liegen sie im Intervalle von 110-120°.
Man wird alsa
daraus schliefien konnen , daB bei diesen Suspensionen die
Yoraussetzungen der Theorie erfullt sein miissen. Es werden
also die kleinen Metallteilchen selbst fur so rasche Wechselstrome, wie sie die Lichtwellen darstellen, Leiter der Elektrizitat sein.
3’. E’hrenhaft.
502
Andererseits werden die Durchmesser der Teilchen klein
sein gegen die Wellenrange des Lichtes.. Grob zerstiiubtes IIg
und kolloidales Eisenhydroxyd entsprechen den Voraussetzungen
nicht. Ihre Sonderstellung erscheint dadurch gerechtfertigt.
Zum Schlusse ist es wichtig noch auf eine Beobachtung binzuweisen , die einerseits das negative Resultat der Versuche
,.
Abhllogigkeit der Polarisation vom Winkel gegen den einfallenden Strahl.
J9pren/a
80
90
/uo
770
RO
130
IW@d&
Fig. 1.
Prof. T h r e l f a l l s und J. J. T h o m s o n s erklart, andererseits
in das Wesen der kolloidalen Suspensionen Einblick gewahrt.
Die hier zahlenml6ig festgelegten Messungen sind durchaus an Metallkolloiden , die jedem verunreinigenden Einflusse
entzogen waren, vorgenommen worden. La6t man ein solches
Kolloid selbst nur einige Stunden im Glastroge unter dem verunreinigenden Einflusse der Luft stehen, so verschiebt sich die
Optisches Verhalteii der Metallkolloide etc.
503
Richtung der starksten Polarisation um einige Grade gegen
kleinere Winkel. Erst bei Suspensionen, die grabere Teilchen
enthalten, verschwindet die Reinheit der Erscheinung ganz im
Einklange mit der Theorie. Es konnte wiederholt bei demselben Kolloide das Wandern des Maximums der Polarisation
zu kleineren Winkeln ganz parallel mit dem Zusammenballen
und daher VergroBern der eingebetteten Teilchen beobachtet
werden, eine Erscheinung, die bei den folgenden Untersuchungen
der Absorption ihr Analogon findet. Erst letztere gibt direkt
AufschluB uber die GroBe der Teilchen und gestattet so die
Grenzen der Gultigkeit der Theorie genauer zu fixieren.
11. T e i l : A b s o r p t i o n .
Trube Medien.
Die Tatsache, dat3 trube Medien blaues Licht in hoherem
MaBe reflektieren a18 rotes, ist schon sehr h u g e bekannt und
z. B. zur Erklgrung der blauen Farbe des Himmels herangezogen worden. Lord R a y l e i g h erkannte, daB fur den Fall,
daB die eingebetteten Partikeln klein sind gegen die Wellenlangen des einfallendes Lichtes, die gewohnlichen Gesetze der
Reflexion und Brechung ihre Giiltigkeit verlieren. Er fat3te
die das Licht zerstreuenden Teilchen als Storungszentra der
einfallenden Wellenbewegung auf und leitete fur die Intensitat
des einfallenden und durchgelassenen Lichtes die Beziehung
J = J,e-k).
-4
d
ab. J,, bedeutet die Intensitat des einfallenden, J des durchgelassenen Lichtes von der Wellenlange I , d die Dicke der
absorbierenden Schichte, k eine Konstante. Es wird also
auch nach den Resultaten der Theorie vom Blau und Violett
ein bedeutend groBerer Anteil diffus reflektiert als vom roten
Licht und so erklart sich die blaue Farbe dieser Medien.
Voraussetzung dieser Theorie ist die Kleinheit der Teilchen
gegen die Wellenlangen des Lichtes. Die Richtigkeit der Theorie
fiir ein solches triibes Medium ist mehrfach experimentell bestiatigt.l)
1) A b n e y u. F e s t i n g , L’i-oc. Roy. SOC. Lond. 40. p. 378. 1886;
A. L a m p s , Sitzungsber. d. k. Akad. d. Wissensch. zu Wien 100. IIa.
p. 730. 1891; A. H n r i o n , Compt. rend. 112. p. 1431. 1891.
504
P. Illhenhaft.
Kolloidale Suspensionen.
Bei den Kolloiden haben wir es mit in durchsichtigen
Wedien suspendierten Teilchen zu tun, die, wie es sich bereits
aus dem ersten Teil dieser ITntersuchurig ergab, klein sind
gegen die Wellenliingen des sichtbaren Lichtes. Wahrend aber
bei triiben Medien das diffus reflektierte Licht je nach der
Iteinheit der Suspension blau mit Abstufungen zu weiB ist,
haben die Kolloide eine ausgesprochene Farbung z. B. beim
kolloidalen Au je nach Herstellung und Qualitat ruhinrot, rotviolett in allen Abstufungeri bis zu schwarz, selbst indigoblau ;
beim Ag rot- oder grunbraun bis tiefbraun; bei Pt, Ni, Co, F e
braun in allen Nuancen. Diese auffallende Erscheinung veranlaBte die Absorptionsspektra zunachst mit dem G l a n schen
Spektropbotometer zu untersuchen. Als Lichtquelle diente ein
Auerbrenner, dessen Strahlen durch Linsen parallel gemacht
wurden. Fremdes Licht wurde vom Glastroge und den Augen
sorgfaltig ferne gehalten. Das sichtbare Spektrum wurde SO
in 13 Bezirke geteilt, da6 bei der Nicoleinstellung auf Gleichhcit der h’uancenunterschied im Spektrum nicht storte. Die
Schichtdicke im Troge betrug 11,3 mm.
Nachfolgende Tabello enthalt die Prozente des in jedem
Spektralbezirke durchgelassenen Lichtes , die Intensitat des
einfallenden gleich 100 gesetzt. Es sind dies Mittelwerte von
6 bis 10 Einstellungen (vgl. Tabelle p. 505).
I m folgenden Diagramm (Fig. 2) ist zu den entsprechenden
Wellenlangen als Abszissen das Verhaltnis der Intensitit des
einfallenden zum durchgelnssenen Lichte aufgetragen. Es tritt
so die selektire Absorption deutlicher hervor. Samtliche
Kolloide sind fiir die langwelligen Strahlen durchllssigor.
Kin ahnliches Verhalten zejgen die truben 31edien.l) Das
Licht grbBerer Wellenlange geht durch sie ungestijrt hindurch,
die kurzwelligen Stralilen werden diffus reflektiert. Doch
zeigt das rote kolloidale Au, das in vier Konzentrationen gemessen wurde, bei hinreicliendem Metallgehalte ein Absorptions-
]In.
1) A. I,ampa, Yitzungsber. d. k. Akad. d. Wissensch. zu Wien
100. p 730. 1891.
~
12,59
10,40
12,01
15,39
7,OO
6,13
5,59
5,75
6,42
7,46
8,55
9,12
3,2R
2,39
2,29
2,68
3,3i
4,13
4,30
4,53
2,13
1,46
1,42
!,46
1,75
2,51
2,98
3,11
0,011
0,575 -0,5515
0,5515-0,524
0,524 -0,512
0,512 -0,499
0,499 -0,4875
0,4875-0,469
0,489 -0,446
0,446 -0,420
bIetsllgehalt ii
in Gramrn
100 cms Kolloic
0,0073
15,88
8,55
4,39
3,74
0,589 -0,575
0,0099
19,22
10,20
0,604 -0,589
0,0055
0,0118
8,91
19,23
0,0053
0,0025
23,58
0,001 8
6,54
12,40
27,lO
0,29
16,OO
28,Ot
9,96
37,46
30,21
4,39
5,75
10,34
36,O
40,OO
2,18
7,19
10,69
9,03
9,25
21,41
9,71
13,72
12,22
42,O
42,50
R2,36
10,96
14,45
45,67
43,70
47,O
23,81
12.50
l5,50
48,2
42,75
43,60
33,11
16,40
14,25
l6,26
18,73
10,34
10,68
21,31
12,32
8,23
5,75
7,59
5,16
0,621 -0,604
17,24
0,004
10,7 1
16,30
17,36
14,39
11,97
12,22
12,84
12,85
13,12
13,81
13,81
14,24
9,95
19,Gl
0,642 -0,621
14.45
45,04
48,lO
37,59
41,05
33,44
Colloidgold
sch warzblau
18,59
25,OO
16,27
11,91
Kolloidkobalt
19,41
32,68
20,50
19,80
Kolloidnickel
-
Kolloidsilher
--
Kolloidplatin
~
1 Teil
Kolloidgold
+ 1 Teil
Wasser
17,2
2 Teile
liolloidgold
+ 1 Tcil
Wasser
~
-
0,677 -0,642 /
9 Teile
Spektralbezirk iolloidgolc Kolloidgold
+ 1 Teil
rot
Wellenlangen
Wasser
~~~
P r o e e n t e des d u r c h g e l a s s e n e n L i c h t e s u n d M e t a l l g e h a l t .
cn
E:
x0
3
5
2
*
3
3
,4.
7
9
c
x
3
b
Q
(b
h
,
’
.
6
-9
f
506
&.’ h h e n h a f 2.
band 3, = 520 p p , kolloidales Ag ein solches im BuBersten
Violett , dessen Maximum im sichtbaren Teile des Spektrums
nicht erreicht ist.
c-1
*
+--t-t
i
w
T
i
-t-
7--
-
500
L
5.50
400
L
.
L
-
650 /up
Fig. 2.
Die Messungen wurden daher mit Hulfe eines R o w l a n d schen Beugungsgitters durch Sichtbarmachung des ultravioletten
Teiles auf einem Fluoreszenzschirm fortgesetzt. Hrn. Dr.
E. H a s c h e k bin ich fur seine freundliche Hulfe bei nachfolgenden Messungen zu besonderem Danke verpflichtet.
Optisches P>rhalten der ,iMetallholloide etc.
Art des Kolloides.
Absorption im sichtbaren und ultraFarbe im durchvioletten Spzktrum
fallenden Lichte
Beginn bei . . . . . 1 = 6 0 3 p p
;Maximum . . . . . A=360pp
Wieder ganz durchlassig
bei . . . . . . . i= 335 pp
Beginn bei . . . . .
Totale Absorption
Durchlassig bei . . .
Wiederbeginn einer ganz
schwachen Absorption
bei . . . . . . .
. .
Ag braun mit
Stich ins Griine
A=585pp
i=479 pp
i=34Opp
507
Anmerkung
Mit zunehmendem Alter des
Kolloides Ag stiirkeres Hervortreten des grunlichen
Stiches. GIeichzeitigesWandern der maximalen Absorption gegen groBere
Wellenllngen.
1=290,up
Ag hellbraun
Beginn bei . . . . . k=54lpp
Langsam ansteigend. Maximum nich t
konstatierbar.
Metallgehalt gering.
Pt in Alkohol
Beginn bei . . . . . A = 5 0 5 p p
Maximum bei . . . . k = 4 8 O p p
Im Ultravioletten schwache Absorption.
2 Monate haltbar.
Beginn bei . . . . . A=56Opp
Maximum bci . . . . A = 5 2 0 p p
Starker durchliissig bei
A = 460 pp
I m Ultravioletten schwache Absorption.
&it 6 Monaten in seiner
Farbe haltbar.
braun
Au rot mit Stich
ins Violette
Au I dunkelrot
Au rot
1
Flaches Maximum bei
.
i=
490 p p
Beginn bei . . . . . A=56Opp
Totale Abnorption bci
i = 5 2 0 pp
I m Ultravioletten schwache Absorption.
.
Wurde 3 Tage nach der Hersteliung schwarz. Zerstaubt
beistlrkerem KOH-Zusatze.
SchGne rote Farbe.
Es endet eine aus dern
Au violett
Ultraroten kommende
Absorption- bei . . . A = 650 p p
Beginn einer Absorption
bei . . . . . . . i= 498 p p
Totale Absorption bei . i,= 520 pp
Tm Ultravioletten ganz schwache Absorption.
Haltbar. Becviolettem Au,
die aus dem roten in diem
Farbe iibergingen, pflegt
nach einigen Tegen eine
bei I = 650 pp endigende
Absorption aufzutreten.
F. Ehrenhaft.
508
-
Art, des Kolloide
Farbe im durck
fallenden Licht
Absorption im sichtbaren und ultravioletten Spektrum
Au I11 schwarzviolett
Beginn bei ,
A=524pp
Endigende
Absorption
.
.
L=46Opp
bei
Absorbiert schwacher wie die ubrigen Au im Ultraviolett.
Au lichtrubinrot
.
. . . .
. . . .
Beginn bei . .
Maximum bci ,
Durchliissiger bei
. .
. . .
. . .
.
L=540/~p
k=5lOpp
I, =480 p,u
Au ursprunglich
rot
Von groBen Wellenliingen
bis
,
.
l.=66Op,u
Von dort ziernlich gleichmiiBig das
sichtbare und ultraviolette Spektrum
absorbierend.
Au ursprunglich
rot
Analog
Au ursprunglich
rot
Analog
Arsensulfit
orangegelb
. h=465 p p
Durchlassig bis
Absorbiert von dort a b das ganze
sichtbare und ultraviolctte Spektrum.
.
.
. . .
. .
Anmerkung
I
1I
Haltbar.
I
-
1
Das Kolloid ging in
24 Stunden von roter zu
schwarzer Farbe uber und
koagulicrte nach einigen
Tagen. Wahrscheinlich zu
starker Alkalizusatz beim
Zerstauben.
Haltbar.
Stark konzentriert.
Wahrend beim kolloidalen Au bereits im sichtbaren Lichte
urn 2. = 520 ,up ein breites Absorptionsband nachweisbar ist,
tritt bei braunem' Ag ein solches um 3, = 380 pp im Ultravioletten, bei griinbraunem Ag ein 'solches a b 479 pp gegen
kleinere Wellenlangen auf. Ab 3, = 340 pp sind beide Ag
wieder durchlassig. Arserisulfit absorbiert a b h = 465 pp das
sichtbare und ultraviolette Spektrum total.
Die im Dielektrikum eingebetteten Metallteilchen werden
von den auBen auftreffenden Lichtwellen, j e nachdem die
Periode der Eigenschwingnng der suspendierten Partikeln der
Periode des einfallenden Lichtes naher oder ferner liegt, xum
stkkeren oder schwacheren Mitschwingen angeregt. Stimmt
die Oszillationsperiode der einfallenden Strahlung mit der Eigenschwingung der eingebetteten Teilchen iiberein, dann wird durch
Optisches Yerhalten deer Hetullkolloide etc.
509
Resonanz l) der beiden Schwinguugen die Energie der Lichtwelle im Xedium im erhohten MaBe geschwacht, die Absorption des Lichtes wird bei dieser Wellenlange ihr Maximum
erreichen.
B e r e c h n u n g der TeilchengroBe.
Diese bei den Kolloiden auftretende optische Resoiianz
ermijglicht es, die GroBe der suspendierten Partikeln zu bestimrnen. Wir werden den Verhaltnissen jedenfalls nahe
kommen, wenn wir, wie bei der Ijerechnung der Polarisation,
den ‘l’eilchen Kugelgestalt zuschreiben. Der Gang der elektrischen Schwingung in einer Kugel war mehrfach Gegenstand
der Untersuchunga) Bedeutet t die Schwingungsdauer, P7 die
Fortpflaniungsgeschwindigkeit der Wellenbewegung in der Luft,
so ist die Schwingungsdauer einer Kugel vom Radius a im
freien Raume gegeben durch
t =
4 .I u
vv3
1st die Kugel von einer elcktrischen Hulle, dercn Dielektrizitttekonstantc groBer als 1 ist, umgeben, so ergibt sich 3),
daB die Schwingungsdauer der elektrischen Schwingung des
Erregers, sowie die Wellenlange der elektromagnetischen
Strahlung, welche auBerhalb der dielektrischen Hiille im umgebenden Luftranme zur Nntwickelung kommt, vergroBert wird.
Es werden also die im Wasser eingebetteten Teilchen auf eine
groBere Wellenliinge ansprechen, als auf jenc, welche ihrem
Radius zukommt, da man die dielektrische Hulle um jede eingebettete Kugel als sehr groB im Vergleich zu ihrem Radius
annehmen kann.. 1st n der Brechungsexponent von Luft in
Wasser, so folgt fur die GroBe der Kugelradius
1) Ahnliches beobachtet gleichzcitig J. K o s s o n o g o w bei auf Glas
miedergeschlagenen Metallpartikeln. Physik. Zeitschr. 4. p. 258. 1903.
2) J. J. Thornson, Recent researches in Electricity and Magnetism
p. 437. 1803.
3) A n t o n L a m p a , Sitzungsber. d. k. Akad. d. Wissensch. zu Wien
112. Ha. 1903; Elektromagnet. Schwingungen einer Kugel.
3!Ehrenhaft.
510
wobei 3, die Wellenlange des Absorptfonsmaximums, der Stelle
starkster Resonanz, bedeutet. Da
v3
4nn.
= 0,103
ist, so ergeben sich die in nachfolgender Tabelle verzeichneten
TeilchengroBen.’)
Iiolloid
Ag braun
Ag braun, mit
Stich ins Griine)
Pt
Au
Au
AU
Maximum der
Absorption
I = 380 p p
k. = 479-400 pp
I = 480 pp
1 = 520 pp
I. = 490 pp
I = 510 pp
Mittlerer Teilchenradius in cm
38.10-7~m
40-48.10-7
48.10-7
52.10-7
49.10-7
51.10-7
,,
,,
,,
),
,,
Eine Reihe von Beobachtungen zeigt den innigen Zusammenhang zwischen TeilchengroBe und Zustand des Kolloides.
Setzt man einem solchen eine Spur einer Same oder eines
Elektrolyten zu, so koaguliert es. Die Teilchen ballen sich
zu groBeren Konglomeraten zusammen und fallen aus. Ich
nntersuchte die Absorptionsspektra solcher Kolloide.
Setzt man kolloidalem Au roter Farbe, das bei h = 520 pp
das Maximum der Absorption hatte und im Roten durchlieb,
eine Spur eines Fallungsniittels zu, so tritt ein Farbenumschlag
mehr oder minder rasch, dagegen eine vom Ultraroten kommende, bis h = 650 pp reichende Absorption sofort auf. Kolloidales Ag und Arsensulfit, die die violetten und blauen Farben
total absorbierten, die roten aber ungeschwacht durchlieBen,
kehren sofort nach Zusatz eines Fallungsmittels ihr Verhalten
um, indem sie die langwelligen Strahlen absorbieren, die kurzwelligen durchlassen. Nimmt man ferner an demselben Metall1) 11. S i e d e n t o p f u. R. Z s i g m o n d y stellen die Bestimmung der
TeilchengroBe auf einem anderen Wege in Aussicht (Ann. d. Phys. 10.
p. 1. 1903; C. A. L o b r y d e B r u y n , Rec. trav. chim. des Pays-Bas
19. p. 251-258. 1900, schltzte die Teilchengr66e einiger Kolloide aus
ihrer Fiihigkeit, das Licht zu polarisieren.
Optisches Ferhalten deT Metallkolloide ste.
511
kolloide die Absorptionsmessungen nach einigen Wochen wieder
vor, so kann man ein Wandern des Absorptionsmaximums
nach groBeren Wellenlangen konstatieren. Alle diese Tatsachen gehen mit der langsameren oder rascheren Veranderung
im Kolloide, dem Zusammenballen und GroBerwerden der eingebetteten Teilchen parallel und haben im Wandern der Winkel
starkster Polarisation gegen kleinere Winkel ein auch bloB
vom GroBerwerden der eingebetteten Teilchen abhangiges,
bereits besprochenes Analogon.
Die in der Tabelle verzeichneten mittleren TeilchengroBen
schlieBen das Vorhandensein kleinerer Teilchen keineswegs aus.
Das rote kolloidale Au absorbiert schwach gegen kleinere
Wellenlangen abnehmend das ultraviolette Spektrum durch
Resonanz von Teilchen kleinerer Dimensionen. Aus den Messungen ist zu ersehen, daB das kolloidale Au um so freier von
Absorption im ultravioletten Spektrum wird, je schwarzer
seine Farbe wird, soda6 das schwarzviolette Au in diesem
Spektralbereiche fast ganz durchlaBt. Es ist dies aus der Abwesenheit kleiner Teilchen durch die bereits vorgeschrittene
Koagulation erklarbar. Dieser Standpunkt gestattet auch die
rote Farbe mancher kolloidaler Au zu erklaren. Die in demselben eingebetteten Teilchen haben uberwiegend Dimensionen,
die auf die Periode des blaugrunen Lichtes resonieren und
dies stark absorbieren. Dns Kolloid erscheint uns daher rot.
Das schwarze kolloidale Au absorbiert das sichtbare Spektrum
ziemlich gleichmaBig. Es entspricht dies dem Umstande, da6
in diesem koagulierenden Kolloide Teilchen der verschiedensten
Dimensionen vorhanden sind.
I m ersten Teile dieser Untersuchung wurde dargelegt, daB
nach J. J. T h o m s o n s Theorie das von einer Metallkugel,
deren Durchmesser klein ist gegen die Wellenlangen des
Lichtes, diffus zerstreute Licht das Maximum der Polarisation
unter 120° gegen den einfallenden Strahl hat, wofern die auf
p. 491 zitierten Voraussetzungen erfullt sind. Es sind durch
diese fur die TeilchengroBe ganz enge Grenzen fixiert. Die aus
der optischen Resonanz ermittelten TeilchengroBen gestatten
nun, sich zu uberzeugen, daB bei den Metallkolloiden, die das
Polarisationsmaximum nach den Versuchen zwischen 110 O und
120 O besitzen, die ermittelten GroBen tatsachlich in jene engen
512
3’. Ehrenhuft.
Grenzen fallen. Urn das Licht diffus zu zerstreuen I), miissen
die Durchmesser der als kleine Kugeln aufgefdten Teilchen
einerseits klein sein im Vergleich zur Wellenlange des Lichtes,
anderenteils verlangt die Theorie, daB die Dicke der Schicht,
in der die durch die einfallende Strahlung in dem Teilchen
induzierten Strome merklich sind, bloB einen kleinen Bruchteil
des Teilchenradius betrage. I n der Tiefe d unterhalb der Kugeloberflache variiert die Starke des induzierten Stromes wie eLk d,
wobei k = (2 rc y p / ~ ) * kCT, den spezifischen elektrischen Widerstand, y die Permeabilitat, 2 n i p die Schwingungsdauer bedeutet. Daher wird der Strom in der Tiefe 1 / k unterhdlb
der Oberflache nur den 1/eten Teil seines Wertes in der Oberflache betragen. Es kann so 1l k als Ma6 der Dicke der Oberflachenschichte des eingebetteten Teilchens genommen werdcn,
die von noch merklichen induzierten Stromen durchdrungen wird.
Es muB d a m , um die einganqs zitierten Voraussetzungen
der Theorie zu erfiillen und so deren Anwendbarkeit zu ermoglichen der Durchmesser 2 a der Teilchen klein sein gegen
die Wellenlange und groB gegen 1 / k , also die Relation
h > 2 a > 1/ k bestehen.
Nachfolgende Tabelle enthalt den experimentell ermittelten
Winkel das Polarisationsmaximums gegen den einfallenden
Strahl, den aus der Absorption im Spektrum ermittelten
Teilchendurchmesser, ferner die GroBe 1 1k . Der Berechnung
wurden die D-Linie fur die Wellenlange, sowie die angefiihrten
Werte des spezifischen elektrischen Widerstandes zu Grunde
geleg t .
Winkel des
PolsrisationsArt des
maximums
Kol~oides gegen den einfallenden Strahl
Ag
Pt
Au
1100
115
120
Wellenliinge
in
Durchmesser
des Teilchens
z a in Cm
5,89.10-6
5,39.10-5
5,39.10-5
7,6 10-6
9,6.10-6
10 .10--F
1
7
I
IC
2,2.10-7
7 . 3 , 10-7
3,3.10-7
1) J. J. T h o m s o n , Phil. Mag. 38. p. 455. 1394.
1570
10604
2100
Optisches Perhalten der NetalZkolloide etc.
513
einander als auch jedes einzelne rnit der Erfahrung in guter
Ubereinstimmung.
Zusamrnenfasaung.
Das optische Verhalten suspendierter Teilchen , deren
Dimensionen klein sind gegen die Wellenlangen des Lichtes,
ist ein durchaus verschiedenes, je nachdem die Teilchen Isolatoren oder Leiter der Elektrizitat sind. Wenn nicht polarisiertes Licht auf ein Nedium trifft, in welchem gegen die
Wellenlingen kleine, isolierende Partikeln suspendiert sind,
d a m ist das diffus reflektierte Licht teilweise planpolarisiert.
Die Theorie Lord R a y l e i g h s erfordert das Naximum der
Polarisation in allen diffusen Strahlen, die in einer zum prim k e n Strahl senkrechten Ebene liegen. Es bestatigt sich
dies von T y n d a l l entdeckte Phiinomen, z. B. an den triiben
Medien oder den kolloidalen Suspensionen. Wie vorhergehade
Messungen zeigen, liegt bei kolloidaler Kieselslure dtLs Maximum der Polarisation unter 90 O, bei kolloidalem Arsensulfit
unter 87 O 30' gegen den einfallenden Strahl.
Wenn dagegen Licht durch die Elektrizitat leitende Kugeln,
deren Dimension klein ist gegen die WellenlPnge des Lichtes,
diffus zerstreut wird, dann hufen, wie aus einer theoretischerr
Untersuchung J. J. T h o m s on s hervorgeht , die Strahlen
starkster Polarisation langs eines Kegelmantels, dessen Achse
durch die Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Strahlen gegeben ist, und dessen halber Scheitelwinkel 120O betriigt. Wie
vorausgehende Untersuchungen zeigen, bestatigt das Verhalten
der nach B r e d i g s Methode im Lichtbogen zerstaubten Metallkolloide diese Theorie gut. Das diffus reflektierte Licht ist
teilweise planpolarisiert, das Polarisationsmaximum liegt bei
kolloidalem Gold unter 118-120 O, bei kolloidalem Silber
unter 1 loo, bei kolloidalem Kupfer unter 120°, bei kolloidalem
Platin unter 115O gegen den einfallenden Strahl. Man kann
aber auch umgekehrt aus dem Zutreffen der Resultate der
Theorie auf Erfiillung der Voraussetzungen schlieben. Es
scheinen also diese Metallpartikeln selbst fiir so rasche Wechselstrijme, wie sie die Lichtwellen darstellen, Leiter der Elektrizitat zu sein.
Die Untersuchung der Absorptionsspektra der MetallAnnaleo der Physik. IV. Folge. 11.
33
51 4
P. Bhrenhaft.
Optisches Yerhalten der Metallkolloide etc.
kolloide zeigt bei kolloidalem Golde roter Farbe ein breites
Absorptionsband um L = 520 ,up, bei kolloidalem Platin urn
1 - 5 480 pp, bei kolloidalem Silber im Ultravioletten urn
L = 380 pp.
Die im Dielektrikum eingebetteten Metallpartikeln werden
von den auBen auftretenden Lichtwellen zum Mitschwingen
angeregt. Stimmt die Oszillationsperiode der einfallenden
Strahlung mit der Eigenschwingung der eingebetteten Teilchen
iiberein, dann wird durch Resonanz der beiden Schwingungen
die Energie der Lichtwelle im Medium in erhijhtem MaBe geschwlcht; die Absorption des Lichtes wird bei dieser Wellenlilnge ihr Maximum erreichen. Diese beobachtete optische
Resonanz ermoglicht es , die mittlere TeilchengroBe zu bestimmen. Der Radius des als Kugel, in welcher der Gang
der elektromagnetischen Schwingung bekannt ist, aufgefaBten
Teilchens ergibt sich fir kolloidales Gold in der GrliBe
49-52 x
cm, fur Silber 38.10-7 cm, fiir Platin 48.10-7 cm.
Diese GroBen fallen genau in jene engen Clrenzen, welche
die Theorie J. J. T h o m s o n s fiir die GrOBe jener suspendierten Metallteilchen voraussetzt, damit das Polarisationsmaximum des von ihnen diffus roflektierten Lichtes unter 120°
gegen den einfallenden Strahl geneigt sei.
Beide Resultate stehen somit in Ubereinstimmung.
W i e n , 11. Physik. Inst. d. k. k. Universitat.
(Eingegangen 12. Milre 1903.)
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