Эффект Тиндаля - это рассеяние света частицами в коллоиде или очень мелкой суспензии . Также известное как рассеяние Тиндаля , оно похоже на рассеяние Рэлея , в котором интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны , поэтому синий свет рассеивается намного сильнее, чем красный свет . Примером в повседневной жизни является синий цвет, который иногда можно увидеть в дыме, исходящем от мотоциклов , в частности от двухтактных машин, где сгоревшее моторное масло содержит эти частицы.
Под действием Tyndall, более длинные длины волн более передаются в то время как более короткие длины волн более диффузно отраженного посредством рассеяния . Эффект Тиндаля наблюдается, когда светорассеивающие твердые частицы диспергированы в среде, которая иначе пропускает свет, когда 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 и тонким суспензиям; например, эффект Тиндаля используется в нефелометрах для определения размера и плотности частиц в аэрозолях и других коллоидных веществах (см. ультрамикроскоп и турбидиметр ).
Он назван в честь физика 19 века Джона Тиндалла , который первым широко изучил это явление.
Открытие [ править ]
До открытия этого явления Джон Тиндалл был прежде всего известен своей работой 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 твердых частиц , и лучший способ обнаружить эти частицы состоял в том, чтобы окунуть воздух в интенсивный свет. [1] В 1860-х годах Джон Тиндалл провел ряд экспериментов со светом, проходя через различные газы и жидкости, и записал результаты. При этом Тиндаль обнаружил, что при постепенном заполнении трубки дымом и последующем прохождении через нее луч света казался синим со всех сторон трубки, но красным с дальнего конца. [2] Это наблюдение позволило Тиндалю впервые предложить феномен, который позже будет носить его имя.
Сравнение с рассеянием Рэлея [ править ]
Рэлеевское рассеяние определяется математической формулой, которая требует, чтобы светорассеивающие частицы были намного меньше длины волны света. [4] Чтобы дисперсия частиц соответствовала формуле Рэлея, размеры частиц должны быть ниже примерно 40 нанометров (для видимого света) [ необходима цитата ] , и частицы могут быть отдельными молекулами. [4] Коллоидные частицы больше по размеру и примерно соответствуют размеру длины волны света. Рассеяние Тиндаля, то есть рассеяние коллоидных частиц, [5] намного более интенсивно, чем рассеяние Рэлея, из-за вовлеченных частиц большего размера [ необходима цитата ]. Важность фактора размера частиц для интенсивности можно увидеть в большом показателе степени, который он имеет в математической формулировке интенсивности рэлеевского рассеяния. Если коллоидные частицы имеют сфероидальную форму, рассеяние Тиндаля можно математически проанализировать с точки зрения теории Ми , которая допускает размеры частиц в грубой окрестности длины волны света. [4] Рассеяние света частицами сложной формы описывается методом Т-матрицы . [6]
Синие ирисы [ править ]
Синяя радужная оболочка глаза возникает из-за рассеяния Тиндаля в полупрозрачном слое радужной оболочки. У коричневых и черных ирисов один и тот же слой, за исключением того, что в нем больше меланина . Меланин поглощает свет. В отсутствие меланина слой является полупрозрачным (т.е. свет, проходящий через него, рассеивается случайным образом и диффузно), и заметная часть света, который входит в этот полупрозрачный слой, снова выходит через рассеянный путь. То есть есть 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 неизменными путями, а затем встречаются со следующим слоем, находящимся дальше в радужной оболочке, который является поглотителем света. Таким образом, более длинные волны не отражаются (рассеиваясь) обратно в открытый воздух в такой степени, как более короткие волны. Поскольку более короткие длины волн являются длинами волн синего цвета, это приводит к появлению синего оттенка в свете, исходящем из глаза. [7] [8] Синяя радужная оболочка является примером структурного цвета в отличие от пигментного цвета .
Подобные явления, не относящиеся к рассеянию Тиндаля [ править ]
Когда дневное небо затянуто облаками , солнечный свет проходит через мутный слой облаков, в результате чего на земле появляется рассеянный свет . Это демонстрирует рассеяние Ми вместо рассеяния Тиндаля, потому что облачные капли больше, чем длина волны света, и рассеивают все цвета примерно одинаково. [9] Когда дневное небо безоблачно , цвет неба синий из-за рэлеевского рассеяния, а не тиндаля, потому что рассеивающие частицы - это молекулы воздуха, которые намного меньше длины волны видимого света. [10] Аналогичным образом термин эффект Тиндалянеправильно применяется к рассеянию света крупными макроскопическими частицами пыли в воздухе; однако из-за их большого размера они не проявляют тиндалевского рассеяния. [11]
См. Также [ править ]
- Рассеяние света
- Рэлеевское рассеяние
- Прозрачность и полупрозрачность
- Ультрамикроскоп
Ссылки [ править ]
- ↑ Об этом сообщается в 10-страничной биографии Джона Тиндалла, написанной Артуром Уитмором Смитом, профессором физики, в американском научном ежемесячнике в 1920 году; доступно в Интернете .
- ^ "Аппарат голубого неба Джона Тиндаля" . www.rigb.org . Проверено 8 марта 2021 .
- ^ "Синий и красный | Причины цвета" .
- ^ a b c «Голубое небо и рэлеевское рассеяние» . hyperphysics.phy-astr.gsu.edu . Проверено 8 марта 2021 .
- ^ «11,5 коллоидов» . Химия . OpenStax . Проверено 8 марта 2021 .
- ^ Врид, Thomas (2002). «Использование метода T-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: 43.0.CO; 2-8 . ISSN 1521-4117 .
- ^ Краткий обзор того, как эффект Тиндаля создает синий и зеленый цвета у животных, см. На uni-hannover.de
- ^ Штурм Р.А. и Ларссон М., Генетика цвета и узоров радужной оболочки человека, Pigment Cell Melanoma Res, 22: 544-562, 2009.
- ^ "Рассеяние света в атмосфере Земли, часть 3 - облака, дымка и поверхность - MkrGeo" . 2018-09-03 . Проверено 8 марта 2021 .
- ^ Смит, Гленн С. (2005). «Цветовое зрение человека и ненасыщенный синий цвет дневного неба». Американский журнал физики . 73 (7): 590–97. Bibcode : 2005AmJPh..73..590S . DOI : 10.1119 / 1.1858479 .
- ^ Доктор биомедицинских наук; Бакалавр физико-математических наук; Facebook Facebook; Твиттер, Твиттер. «Понять эффект Тиндаля в химии» . ThoughtCo . Проверено 8 марта 2021 .
