Эффект Тиндаля — это рассеяние света частицами в коллоиде , таком как очень мелкая суспензия ( золь ). Также известный как рассеяние Тиндаля , он похож на рассеяние Рэлея , в том смысле, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны , поэтому синий свет рассеивается гораздо сильнее, чем красный. Примером из повседневной жизни является синий цвет, который иногда можно увидеть в дыме, испускаемом мотоциклами , в частности двухтактными машинами, где сгоревшее моторное масло обеспечивает эти частицы. [1] Тот же эффект можно наблюдать и с табачным дымом , мелкие частицы которого также преимущественно рассеивают синий свет.
При эффекте Тиндаля более длинные волны лучше пропускаются , в то время как более короткие волны более диффузно отражаются посредством рассеяния . [1] Эффект Тиндаля наблюдается, когда рассеивающие свет частицы рассеиваются в среде, которая в противном случае пропускает свет, где диаметр отдельной частицы находится в диапазоне примерно от 40 до 900 нм , т. е. несколько ниже или около длин волн видимого света (400–750 нм).
Он особенно применим к коллоидным смесям; например, эффект Тиндаля используется в нефелометрах для определения размера и плотности частиц в аэрозолях [1] и других коллоидных веществах. Исследование этого явления привело непосредственно к изобретению ультрамикроскопа и турбидиметрии .
Он назван в честь физика 19 века Джона Тиндаля , который первым подробно изучил это явление. [1]
До открытия этого явления Тиндаль был в первую очередь известен своей работой по поглощению и испусканию 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 обнаружения этих частиц было окунуть воздух в интенсивный свет . [2] В 1860-х годах Тиндаль провел ряд экспериментов со светом, пропуская лучи через различные газы и жидкости и записывая результаты. При этом Тиндаль обнаружил, что при постепенном заполнении трубки дымом, а затем пропускании через нее луча света, луч казался синим со сторон трубки, но красным с дальнего конца. [3] Это наблюдение позволило Тиндаллю впервые предложить явление, которое позже будет носить его имя.
В 1902 году Ричард Адольф Зигмонди (1865–1929) и Генри Зидентопф (1872–1940), работавшие в Carl Zeiss AG , разработали ультрамикроскоп . Любопытство по поводу эффекта Тиндаля привело их к использованию яркого солнечного света для освещения, и они смогли определить размер 4 нм маленьких золотых наночастиц, которые создают клюквенный цвет стекла . Эта работа привела непосредственно к Нобелевской премии Зигмонди по химии . [4] [5]
Рассеяние Рэлея определяется математической формулой, которая требует, чтобы рассеивающие свет частицы были намного меньше длины волны света. [6] Для того, чтобы дисперсия частиц соответствовала формуле Рэлея, размеры частиц должны быть ниже примерно 40 нанометров (для видимого света), [ нужна ссылка ] и частицы могут быть отдельными молекулами. [6] Коллоидные частицы больше и находятся в грубой близости к размеру длины волны света. Рассеяние Тиндаля, т. е. рассеяние коллоидных частиц, [7] намного интенсивнее, чем рассеяние Рэлея, из-за больших размеров вовлеченных частиц. [ нужна ссылка ] Важность фактора размера частиц для интенсивности можно увидеть в большом показателе, который он имеет в математическом выражении интенсивности рассеяния Рэлея. Если коллоидные частицы являются сфероидальными , рассеяние Тиндаля можно математически проанализировать в терминах теории Ми , которая допускает размеры частиц в грубой близости к длине волны света. [6] Рассеяние света частицами сложной формы описывается методом Т-матрицы . [8]
Цвет голубых глаз обусловлен рассеиванием света Тиндалем полупрозрачным слоем мутной среды в радужной оболочке, содержащей многочисленные мелкие частицы диаметром около 0,6 микрометра. Эти частицы тонко взвешены в фиброваскулярной структуре стромы или переднего слоя радужной оболочки. [9] Некоторые карие радужки имеют тот же слой, за исключением большего содержания меланина в нем. Умеренное количество меланина делает глаза карими, темно-синими и зелеными.
В глазах, содержащих как частицы, так и меланин, меланин поглощает свет. При отсутствии меланина слой является полупрозрачным (т. е. проходящий через него свет хаотично и диффузно рассеивается частицами), и заметная часть света, который входит в этот полупрозрачный слой, возвращается через радиально рассеянный путь. То есть, происходит обратное рассеивание , перенаправление световых волн обратно в открытый воздух.
Рассеивание 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 встречать следующий слой дальше в радужке, который является поглотителем света, называемым эпителием или увеей , который окрашен в коричневато-черный цвет. Яркость или интенсивность рассеянного синего света, который рассеивается частицами, обусловлена этим слоем вместе с мутной средой частиц внутри стромы.
Таким образом, более длинные волны не отражаются (рассеиваясь) обратно в открытый воздух так же сильно, как более короткие волны. Поскольку более короткие волны являются синими, это приводит к появлению синего оттенка в свете, который исходит из глаза. [10] [11] Голубая радужная оболочка является примером структурного цвета , поскольку она полагается только на интерференцию света через мутную среду для создания цвета.
Голубые глаза и карие глаза, таким образом, 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.
Когда небо днем затянуто облаками , солнечный свет проходит через слой мутности облаков, в результате чего на земле появляется рассеянный, диффузный свет ( солнечный луч ). Это демонстрирует рассеяние Ми вместо рассеяния Тиндаля, поскольку капли облака больше длины волны света и рассеивают все цвета примерно одинаково. [ требуется ссылка ] Когда небо днем безоблачно , цвет неба синий из-за рассеяния Рэлея вместо рассеяния Тиндаля, поскольку рассеивающими частицами являются молекулы воздуха, которые намного меньше длин волн видимого света. [12] Аналогично, термин эффект Тиндаля неправильно применяется к рассеянию света крупными макроскопическими частицами пыли в воздухе, поскольку из-за своего большого размера они не демонстрируют рассеяния Тиндаля. [1]
.jpg/1280px-Lyubertsy,_A._A._Skochinsky_Mining_Institute_-_interior_(16781901395).jpg)
![Мука, взвешенная в воде, кажется синей, так как только рассеянный свет достигает глаз, а синий свет рассеивается частицами муки сильнее, чем красный свет[1].](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dd/WaterAndFlourSuspensionLiquid.jpg/1280px-WaterAndFlourSuspensionLiquid.jpg)