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Biréfringence dynamique des colloides (effet Maxwell),
influence du solvant
Charles Sadron
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ET
I.E RADII1M
BIRÉFRINGENCE DYNAMIQUE
DES COLLOIDES(EFFET MAXWELL),
INFLUENCE
DU SOLVANTPar CHARLES SADRON.
Faculté des Sciences de
Strasbourg.
Sommaire. 2014 On calcule 2014 en appliquant la methode de Langevin - la birefringence d’une suspen-sion dans un liquide de particules en forme d’ellipsoïdes de révolulion allongés dont les axes sont orientés
en moyenne. On montre que cette biréfringence est la somme de deux termes : l’un dépend de l’anisotropie
optique de la particule, et l’autre de son anisotropie géométrique.
Les résultats du calcul sont explicités dans le cas où l’orientation est produite par l’écoulement du
liquide selon un gradient de vitesse constant, On montre qu’ils sont en bon accord avec les resullats des
mesures sur des solutions de polystyrolènes et de nitrocelluloses.
On explique ainsi l’inversion du signe de l’effet Maxwell pour certaines solutions et l’on montre que,
de l’étude judicieuse des propriétés dynam o-optiques des solutions colloïdales, on peut tirer d’importantes conclusions relatives à la forme et à la structure des particules dissoutes
StRiE
VII.
TOMB VIII.
No12.
DECEMBRE 1937.
1. -Nous consid6ronsdansce
qui
suit un milieucons-titue par un
liquide
danslequel
sontdispers6es
desparticules
en formed’ellipsoide
de r6voluLionallong6,
toutes
identiques
entre elles. Cesparticules
sontgrandes
parrapport
aux dimensions des mol6cules dusolvant,
maiscependant
assezpetites
pour Atresou-mises au mouvement brownien. Un tel milieu nous
servira de schema pour 1’6tude des
propri6t6s
dynamo-optiques
des solutions colloidalesmonodispersées.
Lorsque
leliquide
est au repos les axes desellip-soides sont orienL6s au hasard.
Lorsqu’il
s’6coule il n’en estplus
de meme : 1’existence d’une direction d’orientationprivil6gi6e
se manifeste eng6n6ral
par1’apparition
dineanisotropie optique
du milieuqui
devientbir6fringent.
Cephénomène
fut d6couvert par Maxwell(1),
puis
6tudi6 par Kundt(2)
et de nombreuxexp6rimentateurs.
Nous nous proposons, dans ce
qui
suit,
de calculerd’une
faqon
616mentaire labir6fringence
dans 1’effet Maxwell de mani6re aexpliquer
un certain nombre de r6sultatsexp6rimentaux
obtenus tant par nous quepar d’autres auteurs.
2. -
Pour 6tudier commod6ment les
propri6t6s
dynamo-optiques
duliquide
on realisetin
6coule-(1) Pour la description du dispositif experimental voir par
exemple Sadron (6) ou (7).
ment plan,
laminaire,
parallele,
a deux dimensions et degradient
de vitesse constant. Nous supposerons, parexemple,
que leliquide
est contenu entre deuxparois
solidesplanes, parallèles
etinii6finies,
distantesde
1’intervalle d,
et dont les traces sur leplan
defigure
Fig. 1.
(plan
de1’6coulement)
soiit P,
Simainte-nant on
imagine
que l’une desparois, I’2
parexemple,
glisse
dans sonplan
avec une vitesse constante Ucon-tenue dans le
plan
defigure,
la vi resce u enchaque
point
duliquide
estparallèle
a U. En unpoint
JJI situ6a la
distance ?/
deP1
on a :on G
= ’:!
est legradient
constant de vitesse.d
LR JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SBRIB VII. -
T. VIII. - N° 12. - DBCEMBRE 1937.
33.
482
Lorsque le
r6g!me
permanent
estétabli,
toute
parti-culepassant
en M est animee d’un mouvement de translation de vitesse 2cet,
autour de soncentre,
d’unmouvement de rotation dont
Jeffery
(3)
a donn6 lesequations g6n6rales.
Nous nous
placerons
dans le casparticulièrement
simple
ou les axes desellipsoides
sont situesinitiale-ment dans le
plan
de1’ecoulement, ils y
restent alors indefiniment et l’on tire des6quations
deJeffery
1’expression
de la vitesseangulaire :
ou 0
represente 1’angle (defini
a zprès)
de 1’axe de laparticule
avec la direction de1’6coulement, a
lalongueur
dugrand
axe de laparticule
et b celle dudiamètre du cercle
equa torial.
On voit imm6diatement que la vitesse de rotation
pr6sente
un minimumet un maximum
Il s’en suit que le
nombre p
(6).
do desparticules
par unite de volume dont les axes ont une directioncom-prise
entre 6 et 8-~-
do est maximum pour 8 _-__ 0 etl’on
peut
dire que lesparticules
sont en moyenneorient6es dans la direction de 1’ecoulement. 11 est clair que ce
type
d’orientation est tout a fait diff6rent de celui que 1’on obtiendrait par unchamp électrique
oumagn6tique :
dans ce cas en effet lesparticules
seraientirnmobiles,
tandis que dans le casqui
nous occupeelles tournent sur elles-m6me. En
particulier
si l’on fait intervenir la diffusion d’orientation onobtient,
dans le cas de
1’ecoulement,
ce r6sultatremarquable
que la directionprivil6gi6e
n’estplus
engeneral
celle de 1’ecoulement : elledepend
dugradient
de vitessect de la
grandeur
de la constante D de diffusion d’orientation.En effet Boeder
("),
puis
Guth(~),
enappliquant
unraisonnement
classique,
6tablissent,
que la densite d’orientation p(6)
doit satisfaire a1’equation
differen-tielle :ou encore, en
posant
a -G/D :
L’int6gratioa
est facile dans les deux cas extr6messuivants.
I- « tend vers l’infini : alors la diffusion est
n6gli-geable
et l’on retrouve lar6partition
deJeffery.
2° 0: est assezpetit
pour que les termes en (1.2 soientn6gligeables.
Dans ce casl’int6gration
faite selon la m6Lhode de Boeder fournit1’expression :
ou .1’
repr6sente
le nombre departicules
par unite de volume,On voit que p est maximum pour 0 = 4S°. La
direc-tion
privil6gi6e
est maintenant a 45° de la direction de 1’6coulement.De 1’etude
complete
faite par Boeder il ressort queI’angle cp
de
la direction d’orientation moyenne aveccelle de 1’ecoulement d6cro!L d’une
fa~on
continue de 45° a 0quand a
croit de z6ro a1’infini,
et que 1’on peut poser pour des -valeurs de a voisines de z6ro :ou k est une constante
num6rique ind6pendaiite
du milieu etudie.3. Les noticns
pr6c6dentes
étant admises supposonsqu’un
faisceau de lumièreparallele, polarise
rectiligne-ment,
traverse leliquide perpendiculairement au plan
de 1’6coulement. 11 est a sa sortiepolarise
elliptique-ment. L’une deslignes
neutres alaquelle
nous donnons len* 1
estparallèle
4 la direction moyenne d’orientation 11 s’en suitqu’elle
fait avec la direction de 1’ecoulement unangle 6gal
a o, variant entre 0 et 4~°. Cette conclusionest,
en gros, en bon accord avec les faits observ6s(voir
parexemple fig. 2).
On doitcependant
remarquerque : .
1 ° Les valeurs de a
exp6rimentalement
obtenues nesont pas, le
plus
souvent, assezgrandes pour que 1’on
puisse
conclure avec certitude que la valeur limite de cp pour a infini est bien nulle. Nous avons m6me crupouvoir indiquer,
dans unpr6c6dent
travailI’),
que cette limite était eng6n6ral
diii£rente de z6ro etqu’elle
dependait
de la grosseur et de la forme desparticules.
2° Pour les trespetites
valeurs de « labirefringence
6tant tresfaible,
la d6terminationde tq
devient difficile et il estpossible
de commettre des erreurs consid6ra-bles,3° Enfin les mesures sont faites sur des solutions colloidales
qui
peuvent
contenir desparLicules
de dimensions tres diff6rentes. Alors lacourbe cp
(a)
-ainsi que nous le montrerons dans un
prochain
travail-
peut
differer consid6rablement de celle que l’on obtient dans un milieumonodispers6.
Ces r6serves 6tant faites nous admettrons que la
th6orie de Boeder est v6rifi6e en ce
qui
concerne laposition
deslignes
neutres.D6signons
maintenant par n, et n2 les indices de refraction du milieulorsque
le vecteurélectrique
inci-dent estparallèle
a l’une ou 1’autre deslignes
neutres let 2(nl
est alors l’indiceextraordinaire,
Jl2 l’indiceordinaire).
Lange-vin
(1)
dans sa tb6orie de labir6fringence
électrique
oumagn6tique
desliquides
purs. Nous suppo.erons donc que lesparticules ellipsoidales,
tout comme les mol6cules dusolvant,
sontjusticiables
du schema a electrons fixes deLangevin.
Lespropri6t6s optiques
dechaque
particule
ont alors les m6messym6tries
que celles d’unellipsoyde;
nous admettrons enplus
que cedernier a les m6mes axes que ceux de
l’ellipsoide
g6om6trique.
Dans ces conditions ilexiste, pour
chaque
particule,
deuxpolarisabilit6s
principales :
l’une 6ientre en
jeu quand
lechamp
incident estparallèIe
a 1’axe de revolution de laparticule,
1’autre C2quand
ilest contenu dans le
plan 6quatorial.
Nousdésignerons
par J’i 1 et6’2
lesgrandeurs correspondantes
relativesaux molecules du solvant.
Ceci
pos6,
calculons les valeursAt et A 2
de lapolari-sation du milieu sous l’influence du
champ 6lectrique
lumineux incident h
lorsque
ce dernier estparall6le
aux directions I et 2. Dans chacun de ces cas A est la
som me de la
polarisation
a desparticules
et de lapola-risation a’ des molecules du solvant.
1° Calcul de a’. - Nous
admettrons,
selonLangevin,
que lechamp
depolarisation
s’eXArçant
sur une mole-cule du solvant est le m6me que celuiqui
s’exerce dansune cavite
sph6rique.
Lechamp
totals’exercaut
sur la mol6cule est alors :(etant
entendu que la relation ci-dessusremplace,
pour les commodit6s de1’ecriture,
les deux relationsavec indices obtenues
lorsque
h estparall6le
auxdirec-tions 1 et 2. Cette manière d’6crire sera encore utilis6e dans la
suite).
Fig. 2. -
Exemples de variations de p en fonction du gradient de vitesse.
(Solutions de nitrocellulose dans la
cyclohexanone.)
Soit 0’
1’angle
que fait 1’axe de r6volution d’une mole-cule du solvant avec la directionprivil6gi6e
l.Le
champ It,
lorsqu’il
estparallèle
41,
induit dans la mol6cule un doubletélectrique
dont laprojection
du moment sur cette direction est :La somme de ces valeurs pour toutes les mol6cules
du solvant contenues dans l’unit6 de volume est
juste-ment6gale A
On a donc :of
Le même calcul effectup.
lorsque
h estparall6le
a ladirection 2 fournit :
ou
~° Calcul de a. - 11 s’effectue comme
ci-dessus,
mais avec la diff6rence que l’on nepeut
plus
admettrel’isotropie
duchamp
depolarisation.
Ce dernier estencore
proportionnel
a A mais le facteur depropor-tionnalit6 est
6gal
si lapolarisation
estparallele
à1’axe de
r6volation,
alb
si elle estparallèle
auplan
diam6tral de la
particule.
Maxwell a donn6 pour cescoefficients les
expressions :
484
Nous poserons, pour
la symétrie
des calculs :Le moment du doublet induit par le
champ h
paral-lele a la direction 1 sur une molecule faisant
l’angle
6ave,c cette
direction,
a pourprojection :
De sorte que :
of
et
Lorsque
lechamp
incident estparall6le
a la direc-tion2,
on a de m6me :o ii
et
:°
Expression
deAt et
deA,.
-~ Nousavons
mainte-nant pour les valeur
principales
de lapolarisation :
1 nous est maintenant
possible
de calculer les indices de refraction. Eneffet,
quand
lechamp
incident estpaial lfle
a l’une ou l’autre des directionsprincipales,
le,equations
de Maxwell-Hertz nouspermettent
d’p rice :
En 41inxinant A entre cette
expression
et les expres-·ionspr6c6dentes
il vient :Supposons
maintenant que les concentrations soientassez faibles pour que l’on puisse
n6gliger
les termes en (12. Comme lesint6grales
I et sontproportion-nelles a lV nous pouvons écrire les
6quations
dentes sous la forme
generale :
-.Si nous admettons maintenant que le solvant n’east
pas orient6 par 1’ecoulement
(’)
l’on a :ou no
représente
son indice de réfraction. L’on obtientallots,
ehd6signant
par A
lesexpression
de la formeC’est
1’equation g6n6rale
de labir6fringence
dw milieu.Nous remarquerons tout d’abord
qu’elle
a été obtenue sans que nous ayonsexplicit6
la loi lerépar-tition des
particules.
Elle est doncapplicable quelle
que soit la manière dont onproduit
1’orientation.Cette
6quation
montre que labir6fringence
d’unesolution colloidale est la somme de deux termes :
L’un
1,
-12
depend uniquement
desproprietesv
optiques
desparticules;
il est nul si elles sontoptique-ment
isotropes ;
L’autre ~’(Hi
-depend
dyescoefficients Ëa
et êb,c’est-à-dire de la forme Ies
particules;
il est nul si celles-ci sontsph6riques
mais il est different de zéro. pour desparticules ellipsoidales,
m6me si elles sontoptiquement isotropes.
Enfin ildepend
de l’indice du solvant.Nous retrouvons là des
propri6t6s generales
d6jh
enonrees par Wiener(1,
a la suite de consid6rations différentes.Remarquons enfin que si
n, - n2 estpetit
onpeut
poser comme 1’a fait
Langevin :
et par suite écrire notre
6quation
fondamentale sousla forme:
4. -
Appliquons
les résultats-6n6raux pr6c6dents
au casparticulier
de l’orientationdynamique
avecpetites
valeurs de a. La densite d’orientation est alors donnee
(1) Le cas ou le solvant est orientf sera trait6 comme cas
par
1’equation
(1)
et lesint6grales
7 et ~Kprennent
lescxpressions
suivantes :La formule
g6n6rale
de labir6fringence
devient :Nous allons la comparer a
1’exp6rience.
Supposons +
pour cela que les grosses
particules,
provenant
d’unememe
substance,
soient dissoutes dans des solvantsd’indices divers. Si nous admettons que,
quel
quesoit"
le
solvant,
lesparlicules
gardent
la meme forme et lesmêmes
dimensions,
les seulsparametres qui
varient ,dans1’expression g6n6rale quand
on1’appiique
aux idiverses solutions sont :
Mais la constante de diffusion D est inversement
,proportionnelle
a laviscosit£ p
du milieu. Nouspose-rons done D ==
Do .
ouD,
est un facteurdependant
P.
uniquement
du volume et de la forme desparticles,
’est-11-dire un facteur constantd’apres
notrehypo-th6se. 11 s’en suit que nous pouvons écrire :
ou
e~t
gardent
une valeur constantequand
on passe d’unsol-vant a un autre.
Si done on
porte
en abscisses les valeurs deno - 1
-E- ~
et en ordonn6es celles
(n,
-n2)
’20
.
A 0
-t-
)2
(determines par 1’eYperience),
lespoints repr6sentatifs
4oivent seplacer
sur une droite.Celle-ci,
deplus,
doit-lvoir un coefficient
angulaire n6gatil.
En effet lesigne
de B est celui de - Or
le
champ
de lapolari-sation,
parallèlement
augrand
axe del’ellipsoide,
doit êtreplus
petit
que celuiqui
existe dans une cavitesph6rique.
11 s’en suit que Ea estn6gatif.
Pour la raisonoppos6e
Eh estpositif.
Donc B estnegatif.
Si les conditions sont telles que A est
positif,
il estpossible
que, pour un certainsolvant,
l’indice 17 derefraction ait une
valeur "f¡ telle que :
11
peut
done arriver que, pour une solution donn6e1’effet Maxwell soit nul. Pour les solutions d’indice
supd-rieur la
bir6fringence
seran6gative,
et pour cellesd’indice inf6rieur
positive.
Fig. 3. -
Birefringence dynamique de diverses solutions de
polystyrolènes (c = 0).
Ces conclusions sont en excellent accord avec
1’exp6-rience. ainsi que l’on peut s’en rendre
compte par les
graphiques
de lafigure 3,
illustrant le tableau I.Les nombres ont ete tires des mesures de
Signer
~1)
(1) Je présente ici mes bien vifs remerciements a M. R. Signer,
professeur a l’Universit6 de Berne, pour 1’aide efficace qu’il a
bizn voulu m’apporter en me communiquant les r6sultats des
mesures faites dans son laboratoire et en mettant a ma
486
relatives a deux
polystyrolenes
dont les massesmole-culaires,
d6termin6es sur les solutions par m6thodeosmotique,
sont de 1B3000(polyst. I)
et de 175 000(polyst. 2).
Remarquons
que, pour faire unecomparaison
cor-recte avec
Inexperience,
il faut considérer des valeurstres faibles de la concentration C’est
pourquoi
nous avonspris,
comme valeur delBl
la valeur limite RA
de ce
rapport pour ’ =
0,
tir6e parextrapolation
des mesures faites a diverses concentrations.TABLEAU I. -
(lVon1bres
tirés des 111esuries deSigner.)
Fig. 4. -
Bir6fringence dynamique de diverses solutions de nitrocellulose (c = 4,5 pour !00).
On
voit,
sur legraphique
relatif aupolystyrolène 2
que deux
points
se trouvent en dehors de la droite : L’un est relatif aux solutions dans la t6tratine. Maisc’est un fait 6tabli par
Signer
(1°)
et par moi-meme(11)
que les solutions de
polysLyrol6ne
dans la L6traline etdans la
cyclohexanone
se conduisent d’unefaon
anor-male : leur
bir6fringence
dynamique n’est pas
propor-tionnelle a G merne pour de trespetites
valeurs de ceparametre.
L’autre est relatif aux solutions dans le dioxane pur,
mais il est curieux de constater que 1’anomalie
dispa-rait
lorsque
le dioxane estmelange
d’eau.Enfin la th6oric est
également
en accord avec les r6sultats de nos mesures sur les solutions denitrocel-lulose,
ainsi que le montre lafigure
4 illustrant le tableau II. Seuls lespoints
relatifs aux solutions dans1’alcool
m6thylique
et I’ac6toiie s’6cartent notablement de la droite surlaquelle
seplacent
avec une bonnepr6-cision les
points
relatifs auxcinq
autres solutions. Cesacarts sont
peut-6tre
dus a ce que les valeurs cien1- n2
N utilis6es sont relatives a la concentration de pour 100
et non pas a la limite de ce
rapport
pour0,
commec’etait le cas pour les
polystyrolènes.
surprenant.
Nous avons en effetsuppos6
que lespar-ticules dissoutes restaient
identiques
à elles-mamesquel
que soit le solvant. Ceci n’est paspossible
si l’on~admet,
comme c’estgeneralementle
cas,qu’une
coucheimportante
de mol6cules du solvant est fix6e sur laparticule.
Alors non seulement la forme et les dimen-sions de laparticule
616mentaire doiventd6pendre
despropri6t6s
mol6culaires dusolvant,
mais encore sespropri6t6s optiques.
Lespoints repr6sentatifs,
sur lesfigures
3 et4,
devraient doncpr6senter
unedispersion
considerable. Or les ecarts avec la droite ne se
pr6-sentent
qu’exceptionnellement.
Certes dans le caspar-ticulier de la solution de
polysty rolene
dans lesm6lan-es
de dioxane et d’eau on estobli-6
de supposerque des mol6cules d’eau se fixent sur les
particules
pourexpliquer
la variation de labir6fringence
avec lacomposition
du solvant. Mais dans le casgeneral,
aucontraire,
on est amene 4 conclure que la solvatationest extr6mement faible : c’est la une conclusion que
M-1
Dobry
(12)
ad6jh
tir6e de ses mesures sur lavis-cosit6 et la
pression
osmotique
des solutions de nitro-cellulose.TABLEAU II. -
(,Vitrocellu lose
c=== 1,5 pour
100.)
De ce
qui
précède
onpeut
tirer des conclusionsinfie-ressantes pour des
particules
colloidales.D’après
1’6quation
(3)
on a en effet :d’autre
part :
Il s’en suit donc que 1’etude de 1’effet Maxwell dans
divers solvants
permet
de d6Lerminerexperimentale-ment la valeur du
rapport :
Dès lors deux
possibilit6s
sepr6sentent :
Ou bien 1’on
connait, par
un moyenquelconque,
la valeur de-,alors
onpeut
calculer Ierapport 6a
et par172 Eb
a
suite d6terminer la valeur de
6 .
Ou bien au contraire on connait à
priori
la valeuralors on
peut calculer Ea
et :b et par suite lerap-Supposons
enparticulier
quel’ellipsoide
soit tresallonge.
Dans ces conditions nous pourrons poserla=0,
/~
-21t,
ou encore Ea= -1, Eb = f /2.
( Si 2013
estplus grand
que8,
s et E different de cesB c
valeurs limites de moins de 2 pour
100).
L’on a alors :
Supposons
parexemple
que lespolystyrolenes
6tu-di6s rentrent dans le casparticulier.
Nous auronsalors :
488
pour le
polystyrolene 1 :
Ontrouve bien que Ie
polystyrolène
de massemole-culaire
plus
6ley6eprésente
une valeursplus grande
durapport.
Des r6sultats
susceptibles
de fournir des conclusionsplus
pr6cises
seront obtenuslorsque
des recherchessystematiques
auront ete effectu6es sur des s6ries depolystyrolènes
de masses mol6culaires diverses.Manuserit re~u le 25 septembre 1933.
BIBLIOGRAPHIE
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(12) Mme DOBRY. Journ. Chim.