Возникновение светящегося конуса на темном фоне при рассеянии света в мутной среде с размерами частиц на порядок меньших размеров, чем длина волны света

Анимация

Описание

Тиндаля эффект - свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Обусловлен дифракцией света на отдельных частицах или элементах структурной неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света. Характерен для коллоидных систем (например, гидрозолей, табачного дыма) с низкой концентрацией частиц дисперсной фазы, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления дисперсионной среды. Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании сфокусированного светового пучка сбоку через стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками, заполненную коллоидным раствором. Коротковолновая составляющая белого (немонохроматического) света рассеивается коллоидными частицами сильнее длинноволновой, поэтому образованный им конус Тиндаля в непоглощающем золе имеет голубой оттенок.

Тиндаля эффект по существу то же, что опалесценция. Но традиционно первый термин относят к интенсивному рассеянию света в ограниченном пространстве по ходу луча, а второй - к слабому рассеянию света всем объемом наблюдаемого объекта.

Тиндаля эффект воспринимается невооруженным глазом как равномерное свечение некоторой части объема рассеивающей свет системы. Свет исходит от отдельных точек - дифракционных пятен, хорошо различимых под оптическим микроскопом при достаточно сильном освещении разбавленного золя. Интенсивность рассеянного в данном направлении света (при постоянных параметрах падающего света) зависит от числа рассеивающих частиц и их размера.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -12 до -6);

Время существования (log tc от -12 до 15);

Время деградации (log td от -12 до -6);

Время оптимального проявления (log tk от -9 до -7).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Эффект может легко наблюдаться при пропускании пучка гелий-неонового лазера через коллоидный раствор (попросту неокрашенный крахмальный кисель).

Применение эффекта

Основанные на Тиндаля эффекте методы обнаружения, определения размера и концентрации коллоидных частиц (ультрамикроскопия, нефелометрия широко применяются в научных исследованиях и промышленной практике).

Пример. Ультрамикроскоп.

Ультрамикроскоп - оптический прибор для обнаружения мельчайших (коллоидных) частиц, размеры которых меньше предела разрешения обычных световых микроскопов. Возможность обнаружения таких частиц с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них Тиндаля эффектом. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюдателем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах очень мало света, поэтому в ультрамикроскопе применяют, как правило, сильные источники света. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды можно обнаружить частицы размерами от 20-50 нм и до 1-5 мкм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц. Ультрамикроскоп не дает оптических изображений исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучить их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известны их весовая концентрация и плотность.

В схеме щелевого ультрамикроскопа (рис. 1а) исследуемая система неподвижна.

Принципиальная схема щелевого микроскопа

Рис. 1а

Кювета 5 с исследуемым объектом освещается источником света 1 (2 - конденсатор, 4 - осветительный объектив) через узкую прямоугольную щель 3 , изображение которой проецируется в зону наблюдения. В окуляр наблюдательного микроскопа 6 видны светящиеся точки частиц, находящихся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается.

В поточном ультрамикроскопе (рис. 1б) изучаемые частицы движутся по трубке навстречу глазу наблюдателя.

Принципиальная схема поточного микроскопа

Рис. 1б

Пересекая зону освещения, они регистрируются как яркие вспышки визуально или с помощью фотометрического устройства. Регулируя яркость освещения наблюдаемых частиц подвижным фотометрическим клином 7 , можно выделять для регистрации частицы, размер которых превышает заданный предел. С помощью современного поточного ультрамикроскопа с лазерным источником света и оптико-электронной системой регистрации частиц определяют концентрацию частиц в аэрозолях в пределах от 1 до 109 частиц в 1 см3 , а также находят функции распределения частиц по размерам.

В замутненных средах фиолетовый и синий свет рассеиваются сильнее всего, а оранжевый и красный - слабее всего.

Эффект Тиндаля был открыт в результате исследования ученым взаимодействия световых лучей с различными средами. Он выяснил, что при прохождении лучей света через среду, содержащую взвесь мельчайших твердых частиц - например, пыльный или задымленный воздух, коллоидные растворы, мутное стекло - эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. Если же пропустить через мутную среду белый, например солнечный, свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, в то время как интенсивность зелено-желто красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле. Именно поэтому дымка от лесных пожаров, например, кажется нам голубовато-фиолетовой.

Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным , то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми - они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.

Можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию «дневного света» на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. Критерий Рэлея). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим - солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не попадают прямые солнечные лучи.

Tyndall Effect Эффект Тиндаля (рассеяние Тиндаля) Рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне. Характерен для в… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

эффект Тиндаля - Tindalio reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Faraday Tyndall effect; Tyndall effect vok. Faraday Tyndall Effekt, m; Tyndall Effekt, m rus. эффект Тиндаля, m; явление Фарадея Тиндаля, n pranc. effet Faraday Tyndall, m; effet… … Fizikos terminų žodynas

эффект Тиндаля - см. конус Тиндаля … Химические термины

ТИНДАЛЯ ФЕНОМЕН - ТИНДАЛЯ ФЕНОМЕН, явление, или эффект, состоит в том, что яркий пучок света, проходящий через нек рые прозрачные тела и рассматриваемый в направлении, перпендикулярном ходу световых лучей, виден в соответствующем прозрачном теле, как нек рая… … Большая медицинская энциклопедия

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением его частоты. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае… … Википедия

Появление светящегося конуса на более тёмном фоне (конус Тиндаля) при рассеянии света с длиной волны К в мутной среде с размерами ч ц »0,1l. Назван по имени англ. физика Дж. Тиндаля (J. Tyndall), открывшего эффект; характерен для коллоидных… … Физическая энциклопедия

Рассеяние света в мутных средах с размерами рассеивающих неоднородностей? 0,1 0,2 длины волны света. Рассеивающийся пучок света при наблюдении сбоку имеет вид голубоватого конуса на темном фоне (конус Тиндаля). Изучен Дж. Тиндалем (1868). На… … Большой Энциклопедический словарь

Тиндаля рассеяние, Рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне. Характерен для растворов коллоидных систем (См.… … Большая советская энциклопедия

Рассеяние света в мутных средах с размерами рассеивающих неоднородностей Тиндаля эффект0,1 0,2 длины волны света. Рассеивающийся пучок света при наблюдении сбоку имеет вид голубоватого конуса на тёмном фоне (конус Тиндаля). Изучен Дж. Тиндалем… … Энциклопедический словарь

Рассеяние света в мутных средах с размерами рассеивающих неоднородностей 0,1 0,2 длины волны света. Рассеивающийся пучок света при наблюдении сбоку имеет вид голубоватого конуса на тёмном фоне (конус Тиндаля). Изучен Дж. Тиндалем (1868). На Т. э … Естествознание. Энциклопедический словарь

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обыденными с одной стороны, но вместе тем удивительными с другой стороны явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеет дело.

В будущем я хотела бы связать свою жизнь с такой наукой как физика, поэтому уже сейчас интересуюсь любыми вопросами по данному предмету и выбрала в качестве темы своего исследования один из оптических эффектов.

На сегодняшний день существуют работы, посвященные оптическим эффектам, в частности, эффекту Тиндаля. Однако я решила изучить эту тему путем проведения эксперимента на собственном опыте.

Почему при пропускании через мутное стекло, задымленный воздух или раствор крахмала света разной спектральной окраски мы наблюдаем разный результат? Почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми, а дымка от лесных пожаров - голубовато-фиолетовой. Попробуем дать объяснение этим явлениям.

Цель проекта :

обнаружить коллоиды с помощью эффекта Тиндаля;

исследовать влияния факторов, определяющих прохождение светового пучка через коллоидный раствор.

Задачи исследования:

исследование влияния длины волны на реализацию эффекта Тиндаля;

исследование влияния размера частиц на реализацию эффекта Тиндаля;

исследование влияния концентрации частиц на реализацию эффекта Тиндаля;

поиск дополнительной информации по вопросу об эффекте Тиндаля;

обобщение полученных знаний.

Эффект Тиндаля

Преломление света, отражение, дисперсия, интерференция, дифракция и многое другое:оптические эффекты окружают нас повсюду. Один из них — эффект Тиндаля, открытый английским физиком Джоном Тиндалем.

Джон Тиндаль — геодезист, сотрудник Фарадея, директор Королевского института в Лондоне, гляциолог и оптик, акустик и специалист по магнетизму. Его фамилия дала название кратеру на Луне, леднику в Чили и интересному оптическому эффекту.

Эффект Тиндаля - это свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Данное явление обусловлено дифракцией света на отдельных частицах или элементах неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света.

Что же такое неоднородная среда? Неоднородная среда - среда, характеризующаяся непостоянством показателя преломления. Т.е. n≠const .

Какую характерную особенность данного эффекта можно выделить? Эффект Тиндаля характерен для коллоидных систем (систем, в которых одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом. Например, гидрозолей, табачного дыма, тумана, геля и т.д.) с низкой концентрацией частиц, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления среды. Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании фокусированного светового пучка сбоку через стеклянный сосуд с плоскопараллельными стенками, заполненный коллоидным раствором. (Коллоидные растворы — это высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, причем линейные размеры частиц последней лежат в пределах от 1 до 100 нм).

Эффект Тиндаля по существу то же, что опалесценция (резкое усиление рассеяния света). Но традиционно первый термин относят к интенсивному рассеянию света в ограниченном пространстве по ходу луча, а второй - к слабому рассеянию света всем объемом наблюдаемого объекта.

Экспериментальная работа

Используя простую методику, мы увидим, как с помощью эффекта Тиндаля можно обнаружить коллоидные системы в жидкостях.

Материалы: 2 стеклянных контейнера с крышками, источник направленного света (например, лазерная указка), поваренная соль, раствор ПАВ (например, жидкое моющее средство), 1 куриное яйцо, разбавленный раствор соляной кислоты.

Проведение эксперимента:

Наливаем воду в стеклянный контейнер, полностью растворяем в нем немного поваренной соли.

Освещаем сбоку стакан с полученным раствором узким лучом света (луч лазерной указки). Поскольку соль полностью растворилась, никакого заметного эффекта не наблюдается.

Эксперимент с биологическим материалом:

Растворяем куриный белок примерно в 300мл 1% раствора соли.

Освещаем полученный раствор узким лучом света. Если посмотреть на стакан сбоку, на пути луча видна яркая светящаяся полоса - появление эффекта Тиндаля.

Затем добавляем в раствор белка разбавленный раствор соляной кислоты. Белок свернется (денатурирует) с образованием белесоватого осадка. В верхней части стакана луч света снова не будет виден.

Результаты эксперимента: Если направить луч света сбоку на стеклянный стакан с раствором соли, луч будет невидим в растворе. Если луч света пропустить через стакан с коллоидным раствором (раствор ПАВ), он будет виден, потому что происходит рассеяние света на коллоидных частицах.

Влияние длины волны, размера частиц и концентрации на реализацию эффекта Тиндаля

Длина волны. Поскольку самую короткую длину из видимого спектра имеют волны цветов синей гаммы, именно эти волны отражаются от частиц при эффекте Тиндаля, а более длинные красные рассеиваются хуже.

Размер частиц. Если увеличивается размер частиц, то они могут влиять на рассеяние света любой длины волны, и «расщепленная» радуга складывается обратно, получая полностью белый свет.

Концентрация частиц. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации частиц в коллоидном растворе.

Применение эффекта Тиндаля

Основанные на Тиндаля эффекте методы обнаружения, определения размера и концентрации коллоидных частиц широко применяются в научных исследованиях и промышленной практике (например, в ультрамикроскопах).

Ультрамикроскоп - оптический прибор для обнаружения мельчайших (коллоидных) частиц, размеры которых меньше предела разрешения обычных световых микроскопов. Возможность обнаружения таких частиц с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них эффектом Тиндаля. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюдателем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах очень мало света, поэтому в ультрамикроскопе применяют, как правило, сильные источники света.

В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды можно обнаружить частицы размерами от 20-50 нм и до 1-5 мкм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц. Ультрамикроскоп не дает оптических изображений исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучить их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известны их весовая концентрация и плотность.

Ультрамикроскопы применяют при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха. Воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.

Заключение

В процессе своего исследования я многое узнала об оптических эффектах, в частности, об эффекте Тиндаля. Данная работа помогла мне по-новому взглянуть как на некоторые разделы физики, так и на наш удивительный мир в целом.

Кроме аспектов, рассмотренных в данной работе, по моему мнению, было бы интересно изучить возможности более широкого практического применения эффекта Тиндаля.

Что же касается назначения исследования, то оно может быть полезно и интересно учащимся школ, которые увлекаются оптикой, а также всем, кто интересуется физикой и различного рода экспериментами.

Список литературы

Гавронская Ю.Ю. Коллоидная химия: Учебник. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2007. - 267 с.

Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- .20 с. , 231 с. , 460 с.

Руководство по выполнению экспериментов к «NanoSchoolBox». NanoBioNet e.V/ Scince Park Перевод ИНТ.

https://indicator.ru/article/2016/12/04/istoriya-nauki-chelovek-rasseyanie.

http://kf.info.urfu.ru/fileadmin/user_upload/site_62_6389/pdf/FiHNS_proceedings.pdf

http://www.ngpedia.ru/id623274p1.html

• … Стал он думать, что к чему.
• Видно, свет боится муку.
• Значит, мука идеально годна,
• Чтоб дифрагировала волна!
• Всякая пыль, и взвесь, и муть
• Света пучок может свернуть…
• Из «Оды Тиндалю» (Э.Никельшпарг)

Стихия «ВОЗДУХ»

На Ньютона упало яблоко, китайцы любовались каплями на цветках лотоса, а Джон Тиндаль, наверное, гуляя по лесу, заметил конус света. Сказка? Возможно. Но именно в честь последнего героя назван один из прекраснейших эффектов нашего мира - эффект Тиндаля. Почему прекрасный - судите сами!

Это оптический эффект, возникающий при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса, видимого на тёмном фоне. Что же такое оптически неоднородная среда? В данном случае - пыль или дым, который образован коллоидными частицами, формирующими аэрозоли. Не важен размер частиц, ведь даже наночастицы в атмосфере, будь это частицы морской соли или вулканическая пыль, способны вызвать столь прекрасное зрелище. Изучая свет, Тиндаль по праву является основоположником уже ставшей жизненно необходимой в нашей повседневности оптоволоконной связи, которая в современном мире усовершенствована до наноуровня.

Стихия «ВОДА»

Взгляните на растворы, изображенные на рисунке. Внешне они кажутся практически одинаковыми: бесцветные и прозрачные. Впрочем, есть одно «но»: лазерный луч беспрепятственно проходит сквозь правый стакан, а в левом сильно рассеивается, оставляя красный след. В чем секрет?

В правом стакане — обычная вода, а вот в левом — коллоидный раствор серебра. В отличии от обычного или, как говорят химики, «истинного» раствора, коллоидный раствор содержит не молекулы или ионы растворенного вещества, а его мельчайшие частицы. Впрочем, даже самые мелкие наночастицы могут рассеивать свет. Это и есть эффект Тиндаля.

Каким же должен быть размер частиц, чтобы их раствор можно было назвать «коллоидным»? В различных учебниках коллоидными предлагается считать частицы, размер которых составляет от 1 нм до 100 нм, от 1 нм до 200 нм, от 1 нм до 1 мкм... . Впрочем, классификация размеров, как и любая другая, весьма условна. Эффект Тиндаля в жидких средах используют, например, для оценки качества вина. Для оценки прозрачности вин бокал с вином слегка наклоняют и помещают между источником света и глазом, но не на одной линии. Степень прозрачности определяется не прохождением лучей через вино, а их отражением от взвешенных частиц даже нанометрового размера! (Эффект Тиндаля). Для характеристики степени прозрачности применяют словесную шкалу, в которой есть такие определения как «легкий опал», «опалесцирующее», «тусклое, со значительной опалесценцией». На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц.

«Хотя наноколлоидные частицы настолько малы, что их невозможно наблюдать в оптический микроскоп, их содержание в платиново-серебряном коллоидном растоворе доказано с помощью луча лазера, направленного в коллодиный раствор и наблюдения эффекта Тиндаля, т.е. рассеивания света и яркого сияния светового пучка», - из аннотации косметики Noadada (Япония).

Стихия «ЗЕМЛЯ»

Понятие «опалесценция», тоже непосредственно связана с Джоном Тиндалем. ОПАЛ - драгоценный камень, от игры света которого происходит термин опалесценция , обозначающий особый, характерный только для этого кристалла тип рассеивания излучения.

Вот как описал опал Плиний: «Огонь опала подобен огню карбункула, только мягче и нежнее, при этом он отсвечивает пурпуром как аметист и зеленью моря как смарагд; все вместе сливается в немыслимое, сверкающее великолепие. Невообразимая прелесть и красота камня снискали ему у многих название «пайдэрос» - «любовь отрока». Он уступает только смарагду».

В опале присутствуют сферические частицы кремнезёма диаметром 150-450 нанометров, которые, в свою очередь, сложены мелкими глобулами диаметром 50-100 нанометров, расположенными концентрическими слоями или беспорядочно. Они образуют довольно упорядоченную упаковку (псевдокристаллическую структуру опала). Сферы действуют как трёхмерная дифракционная решётка, вызывая характерное рассеяние света — опалесценцию. Таким образом опал является природным фотонным кристаллом. Кластерная сверхрешетка опала послужила прототипом для создания искусственных фотонных кристаллов. Например, в одной из самых первых работ по синтезу фотонных кристаллов, выполненной в Физико-техническом институте (Санкт-Петербург) и МГУ в 1996 году, была создана технология получения оптически совершенных синтетических опалов на основе сфер микроскопического размера из двуокиси кремния. Технология позволяла варьировать параметры синтетических опалов: диаметр сфер, пористость, показатель преломления.

В опале решетки, образованные плотноупакованными сферами из двуокиси кремния, содержат пустоты, занимающие до 25% от общего объема кристалла, которые могут заполняться веществами другого сорта. Изменение оптических свойств опалов при наполнении пустот водой было известно уже ученым древнего мира: очень редкая разновидность опала - гидрофан (hydrophane ), на старорусском - водосвет , становится прозрачной при погружении в воду. В современных разработках это свойство фотонного кристалла используют для создания переключателя света - оптического транзистора.

Стихия «ОГОНЬ»

Обладая редким лекторским талантом и необыкновенным искусством экспериментатора, Тиндаль нес в народные массы «ИСКРУ» знаний. Тиндаль создал целую эпоху своими народными лекциями по физике, и может справедливо считаться отцом современной популярной лекции. Его лекции впервые сопровождались блестящими и разнообразными опытами, вошедшими теперь в базовый курс физики; все последующие популяризаторы физики шли по стопам Тиндаля. Он писал: «Чтобы увидеть картину в целом, ее создателю необходимо отдалиться от нее, а чтобы оценить общие научные достижения какой-либо эпохи, желательно встать на точку зрения последующей». Хочется закончить стихотворением, написанным мной на тему света и жизни:

• Ходить по лезвию ножа,
• Стоять на кончике иглы,
• Где макросила не важна
• В сравнении с силою волны.
• Где гравитация слаба,
• Если ты легкий, как заряд,
• Лишь переменные поля
• Тебя запустят, как снаряд.
• Интерференции огни
• Сияньем северным горят.
• И как весенние ручьи
• Заряды шустрые спешат.
• Быть может, этот мир чудес
• Не виден глазу моему,
• Но он - основа всех веществ,
• А значит, в нем я и живу!