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Lichtstreuungsmessung zur Molmassenbestimmung

Lichtstreuung Grundlagen I

Grundlagen

Statische Lichtstreuungsmessungen in Polymerlösungen ermöglichen eine umfassende Beschreibung der Moleküle. Mit dieser Absolutmethode sind die gewichtsmittlere Molmasse, der zweite osmotische Virialkoeffizient (siehe Virialentwicklungen), der den Konzentrationseinfluss erfasst, und - für genügend hohe Polymerisationsgrade - der mittlere Trägheitsradius der Moleküle zugänglich. Die Intensität der Lichtstreuung hängt sowohl vom Beobachtungswinkel als auch von der Konzentration der Polymere ab und wird durch vielfältige Parameter wie Partikelgrößenverteilung, Zusammensetzung von Copolymeren, Verzweigungen, Größe und Struktur von Aggregaten beeinflusst.

Das Messprinzip

Licht bringt Elektronen der äußeren Elektronenhülle zum Schwingen. Dadurch wird ein Dipolmoment induziert, das sich mit der eingestrahlten Frequenz ändert und Ausgangspunkt für Streustrahlung ist. Die Intensität der Streustrahlung I s wird durch die zeitliche Änderung des Dipolmoments bestimmt. Dieses ergibt sich aus der Polarisierbarkeit α und der elektrischen Feldstärke E 0 des eingestrahlten kohärenten Lichts der Wellenlänge λ.

Der größte Teil des Lichts wird elastisch gestreut, d.h. Wellenlänge und Phase des Streulichts gleichen denen des einfallenden Lichts. Die elastische Streuung von Licht an Molekülen, deren Größe ca. 1/100 bis 1/20 der eingestrahlten Wellenlänge beträgt, nennt man Rayleigh-Streuung. Sie lässt sich durch die Rayleigh'sche Streuformel beschreiben:

Abb.1
Beobachtungswinkel Θ
R θ = I s · r 2 I 0 · V 0 = 2 π 2 n 0 2 N A λ 4 ( d n d c ) 2 ( 1 + cos 2 θ ) M · c
Legende
R θ -Rayleigh-Verhältnis (abhängig vom Beobachtungswinkel)
θ -Beobachtungswinkel bezogen auf eingestrahlten Lichtstrahl
I s -Intensität der Streustrahlung
r -Abstand Lichtquelle - Detektor
I 0 -Intensität des eingestrahlten Lichts
V 0 -vom Detektor erfasstes Streuvolumen
n 0 -Brechungsindex des reinen Lösemittels
N A -Avogadro-Zahl
λ -Wellenlänge des eingestrahlten Lichts (im Vakuum)
d n d c -Brechungsindex-Inkrement
M -Molmasse des streuenden Moleküls
c -Konzentration der streuenden Moleküle

Die Abhängigkeit der Streulichtintensität von λ -4 hat zur Folge, dass kurzwelliges (z.B. blaues) Licht stärker als langwelliges (z.B. rotes) gestreut wird. So verursacht die Streuung von Sonnenlicht an Molekülen der Atmosphäre die Blaufärbung des Himmels.

Zusatzinformation: Dynamische Lichtstreuung

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