激光衍射粒度分析 – 理论一图简析
当然。我们有非常编写良好的笔记和说明书。并且凭借我们关于方法开发的帮助，我们很少考虑Mastersizer 3000技术背后的基本理论。然而，我们需要进行故障排除，挑战仪器，定制 SOPs……（我们的确也会好奇）。此时对理论的理解变得至关重要。唯一的问题是，看起来很复杂。因此，我不断自我挑战，如何将理论传达得尽量简单。最终，归结为“四个事件”和“四种情景”。
四个事件：
- 入射光打到粒子
- 光与粒子相互作用
- 光从粒子中出来
- 出射光被探测器和软件检测和分析
四种情景，从简单到复杂：
请阅读下方表格中对应的图形描述。
| 不透明 | 非不透明 | |
| 一个粒子 / 一个尺寸 | 1. 不透明的球形粒子仅在边缘衍射光。光不会进入粒子。数学上，它简单地遵循机械波的规则，例如水波经过石头。每种尺寸都有其独特的衍射模式。可以应用Fraunhofer近似，或折射率非常高（例如2.3，供参考，钢的折射率约为2.5）的Mie解。 | 2. 非不透明的球形粒子散射光。在这种情况下，入射光作为电磁波进入粒子并与其电子云相互作用。光从粒子中出来的模式由麦克斯韦方程的Mie解描述。这种散射光模式对具有特定尺寸和光学性质的粒子也是独特的。 |
| 尺寸分布 | 3. 为了找出不透明粒子的尺寸分布，将应用迭代算法以找到最符合检测光模式的粒子尺寸。可以应用Fraunhofer近似，或Mie解与非常高的折射率。 | 4. 为了找出非不透明粒子的尺寸分布，将应用迭代算法以找到最符合检测光模式的粒子尺寸。Mie解应用于给定的光学性质。 |
这四种情景，从简单到复杂，代表了技术的历史发展。如今，我们几乎总在第四种情景——“具有尺寸分布的非不透明粒子”。因此，描述一般光散射的Mie解在绝大多数情况下被使用。它涵盖所有尺寸范围和光学性质。然而，出于历史原因，我们依然使用术语“激光衍射”。这可能会让人困惑，但希望读到这儿的你不再如此。在粒子不透明（如折射率 > 2）和/或粒子足够大（如尺寸大于波长的10倍）的情况下，Mie解可以收敛为Fraunhofer近似，并具有更简便的计算（现代计算机对此并不热衷）。
技术的局限性
“激光衍射“是一种“第一性原理”的技术，无需校准。这是因为散射光的角度依赖性分布直接由粒子尺寸及其光学性质决定。可以测量从0.01µm到3500µm的粒子尺寸。超出这一范围，散射光的角度依赖性变得难以检测。在下限，散射光变得太各向同性，而在上限，入射光几乎不偏离其入射方向。
非球形形状
除了非不透明性和多分散性，非球形粒子形状是另一个复杂因素。首先，不规则形状的小粒子（<1μm）在一个方向上更强地去极化光。我们在软件中有一个“非球形”选项，能够正确解释高角度散射。否则，软件会将不规则性视为不同的粒子群体。这就是为什么某些激光衍射仪器往往会为非球形粒子报告双峰粒度分布的原因。
光学性质优化器
光学性质——折射率（RI）——在涉及非球形形状时会更复杂。RI有一个实部和一个虚部。实部负责折射，而虚部处理衰减，被称为“吸收率”。不规则形状的粒子倾向于具有更高的吸收率，因为表面的不规则性吸收光。如果我们不确定指数值，我们的软件有一个“光学性质优化器”，扫描一系列的指数值以找到最合理的值。对于任何进一步的讨论，请随时联系我，因为帮助你是我工作中最令人满意的部分！
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