Faraday (1857) và Tyndahl (1869) đã lưu ý đến hiện tượng tạo thành giải ánh sáng hình nón mờ đục khi chiếu qua dung dịch keo một chùm tia sáng mạnh. Hình nón mờ đục đó gọi là hình nón Tyndahl và hiện tượng đó gọi là hiện tượng apalusen. Hiện tượng này được giải thích bằng sự phân tán ánh sáng.
Tia sáng, trên đường đi của nó, gặp những hạt của pha phân tán, khi đó tùy thuộc vào hệ thức giữa độ dài sóng của tia sáng và kích thước của hạt mà hiện tượng sẽ xảy ra khác nhau.
Nếu kích thước của hạt lớn hơn độ dài sóng thì ánh sáng sẽ phản xạ trên bề mặt hạt với những góc xác định; hiện tượng này được quan sát trong các hệ phân tán thô như huyền phù hoặc trong không khí khi có những hạt bụi lớn.
Nếu các hạt có kích thước bé hơn độ dài sóng (a < λ) thì xảy ra sự nhiễu xạ.
Sự nhiễu xạ ánh sáng bởi các hạt không dẫn điện là đặc trưng nhất cho các hệ keo. Do sự nhiễu xạ, tia sáng phân tán có đặc điểm là tỏa ra mọi hướng, khác với tia sáng phản xạ chỉ tỏa ra theo một hướng xác định mà thôi.
Cường độ ánh sáng phân tán theo các hướng khác nhau là khác nhau. Nếu hạt rất bé (a << λ), thì cường độ ánh sáng phân tán theo hướng 0ovà 180olà mạnh nhất. Nếu hạt lớn hơn (nhưng a vẫn nhỏ hơn λ) thì cường độ ánh sáng phân tán theo hướng tia tới (180o) là mạnh nhất.
Tia sáng, phân tán do kết quả của sự nhiễu xạ thường bị phân cực.
Đối với hạt rất bé (a<< λ), tia sáng phân tán theo góc 0o, 180o hoàn toàn không phân cực, theo góc 90othì phân cực hoàn toàn.
Đối với hạt tương đối lớn hơn (a xấp xỉ λ, vẫn nhỏ hơn λ), tia sáng phân tán theo góc gần 90obị phân cực nhiều nhất.
Biểu đồ biểu diễn đặc điểm sự phân tán và phân cực ánh sáng đối với hạt hình cầu. (Phần gạch chéo là phần ánh sáng bị phân cực, phần không gạch chéo ở bên trong là phần ánh sáng phân
tán không bị phân cực. Mũi tên chỉ hướng tia sáng đi tới hạt)
Ipt= 24.π3.
[
n 12−n 22 n 12+ 2n 22]
2 .V2.ν λ4 .Io(5.1)Trong đó n1, n2: chiết suất của tướng và của môi trường phân tán ν : nồng độ hạt V : thể tích mỗi hạt
λ : bước sóng cuả ánh sáng tới Io: cường độ ánh sáng tới
Phương trình Rayleigh nghiệm đúng đối với những hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng 10 lần, tức là nhỏ hơn 40- 50 mμ đối với ánh sáng trắng. Đối với những hạt lớn hơn kích thước này, nhưng vẫn nhỏ hơn bước sóng (λ), thì Ipttỷ lệ nghịch với λ có luỹ thừa nhỏ hơn 4. Khi các hạt có kích thước lớn hơn λ thì chỉ số luỹ thừa bằng không và hiện tượng phân tán ánh sáng chuyển thành phản xạ ánh sáng, không phụ thuộc vào bước sóng nữa.
Từ phương trình Rayleigh, ta có thể rút ra những kết luận sau:
a. Khi các hạt có kích thước nhất định, cường độ tia sáng phân tán tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch keo. Nhưng nếu nồng độ rất lớn thì ánh sáng sẽ bị phân tán nhiều lần (phân tán thứ cấp) và phương trình Rayleigh cần được hiệu chỉnh.
b. Cường độ tia sáng phân tán tỷ lệ thuận với bình phương thể tích hạt. Trong vùng Rayleigh, khi vẫn giữ nồng độ khối lượng không đổi, nếu độ phân tán dung dịch keo (D) càng cao thì cường độ ánh sáng phân tán (Ipt)càng yếu (D lớn do kích thước hạt nhỏ sẽ dẫn đến giảm Ipt).
Ví dụ: Đối với một hệ phân tán, phương trình Rayleigh được viết đơn giản là: Ipt = k.ν.V2.Io
I'pt=k(x.ν).
(
V x)
2.IoKhi nồng độ khối lượng không đổi, còn thể tích hạt sau khi chia nhỏ giảm đi x lần so với trước, thì nồng độ hạt sẽ tăng lên x lần, nên cường độ ánh sáng phân tán qua hệ mới là I’pt:
(5.2)
I'pt= k.ν.xV2.Io= Iptx
(5.3)
Suy ra, cường độ ánh sáng phân tán giảm đi x lần. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm cho thấy: độ phân tán (D) của dung dịch keo càng cao thì cường độ ánh sáng phân tán càng yếu. Trong các dung dịch thực (dung dịch phân tử), sự phân tán ánh sáng rất yếu vì các phân tử có thể tích rất nhỏ.
c. Nếu chiết suất của pha phân tán và môi trường chênh lệch nhau nhiều thì cường độ ánh sáng phân tán sẽ lớn. Ví dụ ta thường thấy các huyền phù rất đục so với nhũ tương và so với các dung dịch keo. Trong các sol kim loại, ánh sáng phân tán mạnh hơn trong dung dịch cao phân tử, vì tỷ khối của kim loại lớn hơn nhiều so với của môi trường vậy chiết suất cũng lớn hơn nhiều so với chiết suất của môi trường, còn ở dung dịch cao phân tử chênh lệch này nhỏ hơn.
d. Cường độ tia phân tán tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng tới, nên trong ánh sáng trắng những tia có bước sóng ngắn (quang phổ xanh đến tím) sẽ phân tán mạnh nhất. Nếu cho một chùm ánh sáng trắng đi qua hệ keo có chứa hạt không dẫn điện, nhìn ngang ta sẽ thấy hệ màu xanh và nhìn thẳng hệ có màu đỏ. Lý do là khi ánh sáng trắng đi qua hệ, những sóng ngắn (xanh) đã bị phân tán hầu hết, chỉ còn lại những sóng dài (đỏ) là xuyên thấu qua hệ.
Ví dụ: màu xanh của bầu trời ban ngày là kết quả của sự phân tán ánh sáng của những giọt chất lỏng vô cùng nhỏ và sự thăng giáng nồng độ của khí quyển. Dựa vào hiện tượng trên ta có thể giải thích màu nước biển, màu bầu trời xanh lúc trưa và màu hồng, màu đỏ lúc bình minh, hoàng hôn.
Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng phân tán đối với bước sóng của ánh sáng tớiđược sử dụng rất nhiều trong thực tế. Màu đỏ được chọn làm tín hiệu vì nó được phát hiện rất dễ dàng ngay cả trong mây mù ở những khoảng cách xa vì không bị phân tán ánh sáng (λ lớn), còn màu xanh thường được dùng để ngụy trang (λ nhỏ).
Đối với các hạt keo dẫn điện ngoài hiện tượng phân tán ánh sáng trên bề mặt hạt tuân theo phương trình Rayleigh, mà hiệu ứng này thường bé, còn có hiện tượng hấp thụ ánh
sáng. Do cả hai hiệu ứng này chồng lên nhau, đối với hệ chứa các hạt dẫn điện việc áp
dụng phương trình trên không còn nghiệm đúng.
