Эффект Тиндаля

Эффект Тиндаля — это рассеяние света частицами в коллоиде , например, в очень мелкой суспензии ( золе ). Также известное как рассеяние Тиндаля , оно похоже на рассеяние Рэлея тем, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны , поэтому синий свет рассеивается гораздо сильнее, чем красный свет. Примером из повседневной жизни является синий цвет, который иногда можно увидеть в дыме, выбрасываемом мотоциклами , в частности двухтактными машинами, в которых эти частицы содержатся в сгоревшем моторном масле. ^{[ 1 ]} Тот же эффект можно наблюдать и с табачным дымом , мелкие частицы которого также преимущественно рассеивают синий свет.

Под эффектом Тиндаля более длинные волны передаются сильнее, а более короткие волны более диффузно отражаются посредством рассеяния . ^{[ 1 ]} Эффект Тиндаля наблюдается, когда рассеивающие свет твердые частицы диспергируются в светопропускающей среде, где диаметр отдельной частицы находится в диапазоне примерно от 40 до 900 нм , то есть несколько ниже или около длин волн видимого света ( 400–750 нм).

Это особенно применимо к коллоидным смесям; например, эффект Тиндаля используется в нефелометрах для определения размера и плотности частиц в аэрозолях. ^{[ 1 ]} и другие коллоидные вещества. Исследование этого явления привело непосредственно к изобретению ультрамикроскопа и турбидиметрии .

Он назван в честь физика XIX века Джона Тиндаля , который впервые тщательно изучил это явление. ^{[ 1 ]}

История

До открытия этого явления Тиндаль был прежде всего известен своими работами по поглощению и излучению лучистого тепла на молекулярном уровне. В его исследованиях в этой области возникла необходимость использовать воздух, из которого были удалены все следы плавающей пыли и других частиц , и лучшим способом обнаружить эти частицы было осветление воздуха интенсивным светом . ^{[ 2 ]} В 1860-х годах Тиндаль провел ряд экспериментов со светом, пропуская лучи сквозь различные газы и жидкости и записывая результаты. При этом Тиндаль обнаружил, что, когда постепенно наполняя трубку дымом и затем пропуская через нее луч света, луч казался синим с боков трубки, но красным с дальнего конца. ^{[ 3 ]} Это наблюдение позволило Тиндалю впервые предложить феномен, который позже будет носить его имя.

В 1902 году ультрамикроскоп разработали Рихард Адольф Жигмонди (1865–1929) и Генри Зидентопф (1872–1940), работавшие на компанию Carl Zeiss AG . Любопытство по поводу эффекта Тиндаля побудило их использовать яркий солнечный свет для освещения, и они смогли определить размер маленьких наночастиц золота размером 4 нм , которые создают цвет клюквенного стекла . Эта работа привела непосредственно к Нобелевской премии Жигмонди по химии . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Сравнение с рэлеевским рассеянием

Рэлеевское рассеяние определяется математической формулой, которая требует, чтобы светорассеивающие частицы были намного меньше длины волны света. ^{[ 6 ]} Чтобы дисперсия частиц соответствовала формуле Рэлея, размеры частиц должны быть менее 40 нанометров (для видимого света). ^{[ нужна ссылка ]} и частицы могут представлять собой отдельные молекулы. ^{[ 6 ]} Коллоидные частицы крупнее и их размер примерно равен длине волны света. Рассеяние Тиндаля, то есть рассеяние коллоидных частиц, ^{[ 7 ]} гораздо более интенсивно, чем рэлеевское рассеяние, из-за большего размера частиц. ^{[ нужна ссылка ]} Важность фактора размера частиц для интенсивности можно увидеть по большому показателю степени, который он имеет в математическом выражении интенсивности рэлеевского рассеяния. Если коллоидные частицы имеют сфероидную форму , рассеяние Тиндаля можно математически проанализировать с точки зрения теории Ми , которая допускает размеры частиц, близкие к длине волны света. ^{[ 6 ]} Рассеяние света частицами сложной формы описывается методом Т-матрицы . ^{[ 8 ]}

Синие ирисы

Цвет голубых глаз обусловлен тиндалловским рассеянием света полупрозрачным слоем мутной среды радужной оболочки, содержащей многочисленные мелкие частицы диаметром около 0,6 микрометра. Эти частицы мелко взвешены внутри фиброваскулярной структуры стромы или переднего слоя радужной оболочки. ^{[ 9 ]} Некоторые коричневые ирисы имеют такой же слой, но в нем больше меланина . Умеренное количество меланина делает глаза карими, темно-синими и зелеными.

В глазах, содержащих как частицы, так и меланин, меланин поглощает свет. В отсутствие меланина слой является полупрозрачным (т.е. проходящий сквозь него свет беспорядочно и диффузно рассеивается частицами), и заметная часть света, попадающего в этот полупрозрачный слой, вновь выходит через путь радиального рассеяния. То есть происходит обратное рассеяние , перенаправление световых волн обратно на открытый воздух.

Рассеяние происходит в большей степени на более коротких длинах волн. Более длинные волны имеют тенденцию проходить прямо через полупрозрачный слой с неизмененными путями желтого света, а затем встречаться со следующим слоем дальше в радужной оболочке, который представляет собой поглотитель света, называемый эпителием или увеа , окрашенный в коричневато-черный цвет. Яркость или интенсивность рассеянного синего света, рассеиваемого частицами, обусловлена этим слоем вместе с мутной средой частиц внутри стромы.

Таким образом, более длинные волны не отражаются (путем рассеяния) обратно на открытый воздух в такой степени, как более короткие волны. Поскольку более короткие волны относятся к синим длинам волн, это приводит к синему оттенку света, исходящего из глаза. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Синяя радужная оболочка является примером структурного цвета , поскольку для создания цвета она зависит только от интерференции света через мутную среду.

Таким образом, голубые и карие глаза анатомически отличаются друг от друга генетически неизменным образом из-за разницы между мутной средой и меланином. Оба типа цвета глаз могут оставаться функционально отдельными, несмотря на то, что они «смешаны» вместе.

Подобные явления, отличные от рассеяния Тиндаля

Когда дневное небо пасмурно , солнечный свет проходит через мутный слой облаков, в результате чего образуется рассеянный, рассеянный свет на земле ( солнечный луч ). Здесь наблюдается рассеяние Ми вместо рассеяния Тиндаля, поскольку размер облачных капель превышает длину волны света и рассеивает все цвета примерно одинаково. ^{[ нужна ссылка ]} Когда дневное небо безоблачно , цвет неба синий из-за рассеяния Рэлея, а не рассеяния Тиндаля, поскольку рассеивающими частицами являются молекулы воздуха, размер которых намного меньше длины волны видимого света. ^{[ 12 ]} Точно так же термин « эффект Тиндаля» неправильно применяется к рассеянию света крупными макроскопическими частицами пыли в воздухе, поскольку из-за их большого размера они не демонстрируют рассеяния Тиндаля. ^{[ 1 ]}

Сравнение трех основных процессов рассеяния видимого света
Процесс рассеяния	Тип частиц	Размер частиц	Итоговый эффект
Рэлеевское рассеяние	Молекула воздуха ( № ₂ и О ₂ )	< 1 нанометра	Небесно-голубой оттенок
Рассеяние Тиндаля	Коллоидные частицы в суспензии	от 50 нм до 1 мкм	Синий рассеянный свет
Рассеяние Ми	Крупная воздушная пыль или облачные капли	> 1 микрометр	Все цвета равномерно разбросаны

Галерея

Светофор, рассеивающий туман ^{[ 1 ]}
Коллоид справа демонстрирует эффект Тиндаля, а раствор - нет. ^{[ 1 ]}
Пыль в воздухе демонстрирует рассеяние Ми, а не рассеяние Тиндаля
Путь лазера из обсерватории становится видимым благодаря эффекту Тиндаля
Эффект Тиндаля, создаваемый окулусом на вершине купола Пантеона в Риме. Окулус — единственный источник света внутри Пантеона.
Мука, взвешенная в воде, кажется синей, поскольку только рассеянный свет до глаз достигает , а синий свет рассеивается частицами муки больше, чем красный свет. ^{[ 1 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Хельменстайн, Энн Мари (3 февраля 2020 г.). «Определение эффекта Тиндаля и примеры» . МысльКо .
^ Сообщено в 10-страничной биографии Тиндаля Артуром Уитмором Смитом , профессором физики, писавшим в американском научном ежемесячном журнале в 1920 году; доступен онлайн .
^ «Аппарат голубого неба Джона Тиндаля» . Королевское учреждение . Проверено 8 марта 2021 г.
^ «Ричард Адольф Жигмонди: Свойства коллоидов» . Нобелевские лекции по химии 1922–1941 гг . Амстердам: Издательство Elsevier. 1966.
^ Маппес, Тимо; Год, Норберт; Чаки, Андреа; Фоглер, Надин; Попп, Юрген; Фриче, Вольфганг (2012). «Изобретение иммерсионной ультрамикроскопии в 1912 году - рождение нанотехнологий?». Международное издание «Прикладная химия» . 51 (45): 11208–11212. дои : 10.1002/anie.201204688 . ПМИД 23065955 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Голубое небо и рэлеевское рассеяние» . Концепции гиперфизики — Государственный университет Джорджии . Проверено 8 марта 2021 г.
^ «Химия – Коллоиды» . ОпенСтакс. Архивировано из оригинала 7 марта 2021 г. Проверено 8 марта 2021 г.
^ Вридт, Томас (2002). «Использование метода Т-матрицы для расчета рассеяния света неосесимметричными частицами: суперэллипсоиды и частицы реалистичной формы» . Характеристика частиц и систем частиц . 19 (4): 256–268. doi : 10.1002/1521-4117(200208)19:4<256::AID-PPSC256>3.0.CO;2-8 . ISSN 1521-4117 .
^ Подробности о том, как голубые глаза приобретают свой цвет [Mason, CW, Blue Eyes, American Journal of Physical Chemistry , Vol. 28, страницы 500–501, 1924.]
^ Краткий обзор того, как эффект Тиндаля создает синий и зеленый цвета у животных, см. на сайте uni-hannover.de.
^ Штурм Р.А. и Ларссон М., Генетика цвета и рисунка радужной оболочки человека, Res Pigment Cell Melanoma Res, 22: 544-562, 2009.
^ Смит, Гленн С. (2005). «Цветовое зрение человека и ненасыщенный синий цвет дневного неба». Американский журнал физики . 73 (7): 590–97. Бибкод : 2005AmJPh..73..590S . дои : 10.1119/1.1858479 .

[:1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Хельменстайн, Энн Мари (3 февраля 2020 г.). «Определение эффекта Тиндаля и примеры» . МысльКо .

[2] Сообщено в 10-страничной биографии Тиндаля Артуром Уитмором Смитом , профессором физики, писавшим в американском научном ежемесячном журнале в 1920 году; доступен онлайн .

[3] «Аппарат голубого неба Джона Тиндаля» . Королевское учреждение . Проверено 8 марта 2021 г.

[zmond-4] «Ричард Адольф Жигмонди: Свойства коллоидов» . Нобелевские лекции по химии 1922–1941 гг . Амстердам: Издательство Elsevier. 1966.

[mappes12-5] Маппес, Тимо; Год, Норберт; Чаки, Андреа; Фоглер, Надин; Попп, Юрген; Фриче, Вольфганг (2012). «Изобретение иммерсионной ультрамикроскопии в 1912 году - рождение нанотехнологий?». Международное издание «Прикладная химия» . 51 (45): 11208–11212. дои : 10.1002/anie.201204688 . ПМИД 23065955 .

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Голубое небо и рэлеевское рассеяние» . Концепции гиперфизики — Государственный университет Джорджии . Проверено 8 марта 2021 г.

[7] «Химия – Коллоиды» . ОпенСтакс. Архивировано из оригинала 7 марта 2021 г. Проверено 8 марта 2021 г.

[8] Вридт, Томас (2002). «Использование метода Т-матрицы для расчета рассеяния света неосесимметричными частицами: суперэллипсоиды и частицы реалистичной формы» . Характеристика частиц и систем частиц . 19 (4): 256–268. doi : 10.1002/1521-4117(200208)19:4<256::AID-PPSC256>3.0.CO;2-8 . ISSN 1521-4117 .

[9] Подробности о том, как голубые глаза приобретают свой цвет [Mason, CW, Blue Eyes, American Journal of Physical Chemistry , Vol. 28, страницы 500–501, 1924.]

[10] Краткий обзор того, как эффект Тиндаля создает синий и зеленый цвета у животных, см. на сайте uni-hannover.de.

[11] Штурм Р.А. и Ларссон М., Генетика цвета и рисунка радужной оболочки человека, Res Pigment Cell Melanoma Res, 22: 544-562, 2009.

[12] Смит, Гленн С. (2005). «Цветовое зрение человека и ненасыщенный синий цвет дневного неба». Американский журнал физики . 73 (7): 590–97. Бибкод : 2005AmJPh..73..590S . дои : 10.1119/1.1858479 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]