Главная У детей В основе явления тиндаля лежит. Оптические свойства коллоидов. Эффект Тиндаля. Опалесценция, рассеяние света. Смотреть что такое "Конус Тиндаля" в других словарях

В основе явления тиндаля лежит. Оптические свойства коллоидов. Эффект Тиндаля. Опалесценция, рассеяние света. Смотреть что такое "Конус Тиндаля" в других словарях

В зависимости от длины волны видимого света и относительных размеров частиц дисперсной фазы рассеяние света принимает различный характер.

Если размер частиц меньше длины полуволны падающего света, наблюдается дифракционное рассеяние света; свет как бы обходит (огибает) встречающиеся на пути частицы. При этом имеет место частичное рассеяние в виде волн, расходящихся во все стороны (рис. 8). В результате рассеяния света каждая частица является источником новых, менее интенсивных волн, т. е. происходит как бы самосвечение каждой частицы. Явление рассеяния света мельчайшими частицами получило название опалесценции. Оно свойственно преимущественно золям (жидким и твердым), наблюдается только в отраженном свете, т. е. сбоку или на темном фоне. Выражается это явление в появлении некоторой мутноватости золя и в смене («переливах») его окраски по сравнению с окраской в проходящем свете. Окраска в отраженном свете, как правило, сдвинута в сторону большей частоты видимой части спектра. Так, белые золи (золь хлорида серебра, канифоли и др.) опалесцируют голубоватым цветом.

Эффект Фарадея- Тиндаля (рисунок 9).

Окраска.

Зависимость интенсивности рассеянного свет (I ) при выше указанных эффектах выражается формулой Рэлея:
где:I – и интенсивность рассеянного света в направление ┴ падающему лучу; К – const включающая показатель преломления среды и фазы, n – число частиц в единицу объема,  – длина волны падающего света,

V – объем каждой частицы. 

Из формулы видно I , что рассеяние более коротких волн происходит более интенсивно, следовательно, бесцветные золи в проходящем свете кажутся красными, а в рассеянном – голубыми.

6. Коллоидные растворы сравнительно мало устойчивы по сравнению с молекулярными растворами. Под влиянием различных факторов(t 0 , h V , электричества, С , механического воздействия, присутствие примесей), а иногда и просто без видимых причин в коллоидных системах протекают необратимые процессы, приводят к изменениям частиц дисперсной фазы и их выпадению в осадок. Такие процессы, приводящие, к самопроизвольному укреплению частиц называют старением.

Хотя для коллоидных систем мы можем говорить только об относительной устойчивости Н.П. Песков ввел в науку понятия о кинетической и агрегативной устойчивости.

Кинетическая устойчивость - способность дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии под влиянием броуновского движения. Кроме броуновского движения факторами кинетической устойчивости является дисперсность, вязкость дисперсной среды, разность плотности дисперсной среды и фазы и т.д. Из всех факторов наиболее важный – дисперсность так как он оказывает наибольшее влияние на скорость осаждения частиц. Системы в которых скорость осаждения очень мала называются кинетически устойчивыми.

Агрегативная устойчивость – способность частиц дисперсной фазы оказывать сопротивление их слипанию и тем самым удерживать определенную степень дисперсности. Потеря агрегативной устойчивости ведет к слипанию частиц с образованием более крупных агрегатов.

Агрегатная устойчивость объясняется наличием у коллоидных частиц одноименных зарядов, которые мешают их соединению, а так же наличием вокруг ядра сольватных оболочек из молекул растворителя. Установлена прямая зависимость между толщиной сольватных оболочек и агрегативной устойчивостью.

Характерной особенностью коллоидных растворов являются процессы самопроизвольного изменения размеров частиц: размер может уменьшаться в следствии неполного растворения частиц дисперсной фазы  уменьшение удельной поверхности дисперсной фазы  уменьшение свободной энергии – процесс дессолюции ; или укрупняться – процесс перекристаллизации.

7. Коллоидные системы обладают большой поверхностью раздела и следовательно избытком свободной энергии. Поэтому эти системы не устойчивы, они стремятся к понижению свободной энергии, и это происходит в большинстве случаев за счет уменьшения суммарной поверхности коллоидной частиц, т.е. за счет их укрепления. Этот процесс укрепления коллоидных частиц, носит название коагуляции. Процесс осаждения укрупненных частиц твердой фазы называется седиментацией.

Процесс коагуляции состоит из двух стадий: скрытую коагуляцию – процесс коагуляции не обнаруживается визуально и явную коагуляцию – легко обнаруживается визуально.

Наиболее важным фактором коагуляции гидрофобных золей является действие электролитов. Почти все электролиты в достаточном количестве способны вызвать коагуляцию. Что бы вызвать коагуляцию нужно наличие некоторой минимальной концентрации электролита. Минимальная концентрация электролита способная вызвать коагуляцию получила название порог коагуляции . Установлено, что коагулируещее действие оказывает ион, заряд которого по знаку противоположен заряду поверхности коллоидной частицы. Так для (+) заряженных золей коагулирующие действия оказывают анионы, для (-) – катионы. Кроме того, ионы коагуляторы высшей зарядности обычно вызывают коагуляцию при значительно меньших концентраций, чем ионы низших (правило Шульце-Гатди).

Пороги коагуляции одного знака тоже отличаются друг от друга по коагулирующей способности для них составлены так называемые лиотропные ряды:

Катионы: Сs + >Rb + >NH 4 + >K + >Na + >Li + ; анионы: I - >NO 3 - >Fr - >Cl - 

Коагулирующее действие может вызвать и смесь электролитов. При этом возможны три случая:

1) Коагуляционные действие суммируется;

2) Коагуляционные действие, чем по отдельности - антогонизм;

3) Взаимное усиление коагуляционного действия - синергизм.

Коагуляцию может вызвать смешивание в определенном соотношении гидрофобного золя с другими гидрофобным золем гранулы которого имеют противоположный заряд, это явление носит название взаимная коагуляция. Взаимная коагуляция возможна из-за отсутствия отталкивания между противоположно заряженными мицеллами.

8. Как известно, гидрофобные коллоиды неустойчивы в изоэлектрическом состоянии, т. е. электронентральные частицы коагулируют с наибольшей скоростью.

На рис. 10 показана схема снятия заряда с коллоидной частицы при добавлении электролита с двухзарядными анионами. 

Как видим, гранула становится электронейтральной в том случае, если противоионы диффузного слоя, заряженные отрицательно, перемещаются в адсорбционный слой. Чем выше концентрация прибавляемого электролита, тем сильнее сжимается диффузный слой, тем меньше становится -потенциал и, следовательно, тем быстрее начинается процесс коагуляции. При определенной концентрации электролита практически все противоионы перейдут в адсорбционный слой, заряд гранулы снизится до нуля и коагуляция пойдет с максимальной скоростью, так как отсутствие диффузного слоя обусловит значительное понижение давления расклинивання.

Коагулирующее действие электролитов не сводится только к сжатию диффузного слоя, одновременно протекает избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов электролита, которые имеют заряд, противоположный грануле. Причем чем выше заряд иона, тем интенсивнее он адсорбируется. Накопление ионов в адсорбированном слое сопровождается уменьшением не только -потенциала, но и диффузного слоя.

Из всего вышесказанного не следует делать вывод о том, что основная причина коагуляции заключается в достижении некоторого постоянного для всех случаев критического -потенциала. Исследования показали, что коагулирующее действие электролитов заключается не столько в непосредственном уменьшении сил отталкивания между коллоидными частицами через понижение -потенциала, сколько в том, что изменение строения двойного электрического слоя и сжатие диффузной его части, влечет за собой понижение расклинивающего действия гидратных (сольватных) оболочек диффузных ионов, разъединяющих коллоидные частицы.

9. В ряде случаев при добавлении к золям электролитов с многозарядными ионами, заряд которых противоположен по знаку заряду коллоидных частиц, может наблюдаться не коагуляция, а стабилизация золя и перемена знака x-потенциала. Это явление получило название в коллоидной химии перезарядки золей. Так, при добавлении к золю платины небольших количеств хлорида железа FеС1 3 наблюдается понижение отрицательного заряда коллоидных частиц платины и их коагуляция. Дальнейшее увеличение концентрации FеС1 3 приводит к перезарядке коллоидных частиц платины; они получают положительный заряд.

В процессе перезарядки золь платины претерпевает следующие изменения: отрицательно заряженный золь – коагуляции нет; заряд равен нулю – коагуляция; положительно заряженный золь - коагуляции нет; заряд равен нулю – коагуляция и т. д. Такое чередование состояний электронейтральности и заряженности частиц называют чередованием зон коагуляции.

Явление перезарядки коллоидных мицелл золя платины под влиянием FеС1 3 хорошо видно на кривой изменения x-потенциала (рис. 11). 

10. Поскольку коагуляция любого золя совершается не мгновенно, а требует некоторого промежутка времени, возник вопрос о скорости процесса коагуляции. Протекание процесса коагуляции во времени можно наблюдать по изменению свойств коллоидного раствора, например, по изменению окраски, по усилению мутности и т.п.

Многочисленные исследования показали, что наиболее надежным методом наблюдения процесса коагуляции во времени является метод подсчета числа частиц за определенный промежуток времени в ультрамикроскопе. Согласно теории коагуляции золей, началом коагуляции считают соприкосновение двух коллоидных частиц и слипание их в один агрегат. Эти удвоенные частицы, совершая броуновское движение и встречаясь с другими такими же или одиночными частицами, способны образовать тройные, четверные и т. д. частицы – вплоть до начала седиментации. Отличие от химических реакций с точки зрения кинетики заключается в том, что в случае обычной химической реакции прореагировавшие молекулы в дальнейшем не участвуют в реакции, а коллоидные частицы, слипаясь при столкновении, продолжают участвовать в процессе коагуляции, образуя все более сложные комплексы.

В начале коагуляции образование удвоенных, утроенных и т. д. частиц протекает незаметно и более медленно, затем по мере нарастания концентрации электролита-коагулятора скорость коагуляции значительно увеличивается. Таким образом, различают медленную и быструю коагуляцию. Эти понятия не следует смешивать с понятиями скрытой и явной коагуляции.

Кривая изменения скорости коагуляции золя в зависимости от концентрации электролита (рис. 12) хорошо поясняет эти понятия и их связь с другими величинами, характеризующими ход коагуляции. 

Процессы медленной коагуляции весьма слабо изучены и в настоящее время. Предполагают, что медленное протекание процесса коагуляции обусловливается тем, что лишь очень небольшое число столкновений коллоидных частиц приводит к их слипанию (агрегации). Установлено, что слипаются лишь те частицы, у которых по какой-либо причине снизился до критического значения x-потенциал, или частицы, обладающие большой скоростью и при столкновении попадающие в сферу взаимного притяжения.

Процессы быстрой коагуляции изучены значительно лучше. При быстрой коагуляции каждое столкновение коллоидных частиц приводит к их слиянию (соединению). Исходя из этих представлений, М. Смолуховский вывел уравнение, характеризующее скорость быстрой коагуляции:

11. Типичные гидрофобные золи легко коагулируют при прибавлении к ним малых количеств электролитов. Растворы высокомолекулярных соединений, наоборот, обладают большой устойчивостью против коагулирующего действия электролитов. Многочисленными исследованиями было установлено, что растворы ВМС, будучи прибавлены к гидрофобным золям, сообщают им повышенную устойчивость к электролитам. Так, если к золю золота прибавить небольшое количество желатина, гидрозоль золота становится более устойчивым. При прибавлении электролитов даже в количествах, значительно превосходящих порог коагуляции, а также при длительном стоянии этот золь не испытывает практически никаких изменений. Если этот золь выпарить, то при смешении сухого препарата с водой вновь образуется коллоидный раствор. Таким образом, типичный гидрофобный золь золота при прибавлении к нему желатина как бы приобрел свойства гидрофильного золя и стал обратимым. Подобное явление получило название защитного действия или просто защиты, а сами вещества, повышающие устойчивость гидрофобных золей, получили название защитных. Как правило, защитным действием обладают высокомолекулярные вещества лиофильной природы.

Исследования показали, что степень защитного действия растворов ВМС зависит от природы растворенного полимера и от природы защищаемого гидрофобного золя. Количественной мерой защитного действия растворов ВМС являются золотое, рубиновое и железное число. Наибольшее применение получило более простое и легко доступное железное число которое можно определить как минимальное число миллиграммов защищающего высокополимера, способного защитить 10 мл золя гидроокиси железа от коагулирующего действия 1 мл 0,005 н. раствора Na 2 SO 4 . (Желатин – 5; крахмал – 20).

Как показали исследования, наибольшее защитное действие отмечается при одноименных зарядах высокомолекулярного соединения и коллоида, так как в противном случае они взаимно нейтрализуют заряд, и устойчивость большого объединенного комплекса, естественно, снижается.

Механизм защитного действия достаточно хорошо объясняется теорией Зигмонди, в основе которой лежит представление об адсорбционном взаимодействии между частицами защищаемого и защищающего золей. Более крупная частица гидрофобного золя адсорбирует на своей поверхности более мелкие макромолекулы ВМС с их сольватными оболочками, и в результате этого она приобретает лиофильные свойства. В данном случае коллоидные мицеллы необратимого гидрофобного золя предохраняются от непосредственного соприкосновения друг с другом, а следовательно, и от агрегации как в случае действия на такой золь электролита-коагулятора, так и в случае концентрирования золя. На рис. 13а, б, показана схема подобного защитного действия. 

В некоторых случаях прибавление весьма малых количеств высокополимера к гидрофобному золю приводит к прямо противоположному результату: устойчивость золя резко понижается. Это явление называется сенсибилизацией или астабилизацией коллоидного раствора. Согласно теории П. Н. Песковаи Л. Д. Ландау астабилизация происходит тогда, когда защищающий высокополимер добавляют к гидрофобному золю в малых количествах, которые ниже предельного порога его защитного действия, т. е. ниже защитного числа. Иными словами, астабилизация наступает, когда частиц высокополимера не хватает на покрытие и защиту всей поверхности коллоидных частиц гидрофобного золя, но их достаточно для того, чтобы путем адсорбции отнять у последних стабилизирующие ионы. На рис. 10в, в дана схема астабилизированной коллоидной частицы. Астабилизация легче всего осуществляется в том случае, если оба вида частиц заряжены разноименно.

12. Часто продукт коагуляции гидрофобных золей – осадок, или коагель – может быть вновь переведен во взвешенное состояние путем обработки его определенным электролитом. Так, скоагулированный золь гидроокиси железа можно вновь вернуть в исходное состояние, если осадок Fе(ОН) 3 обработать водным раствором хлорида железа. Процесс перехода осадка во взвешенное состояние под влиянием внешних факторов получил название пептизации.

Вещества, способствующие переходу коагеля в золь, называют пептизаторами. Обычно пептизаторами являются электролиты, вернее один из ионов. Однако в ряде случаев пептизирующим действием могут обладать и неэлектролиты, например растворитель.

Сам процесс пептизации в основном обусловливается адсорбционными явлениями, в результате которых происходит не только повышение x-потенциала дисперсных частиц, но и увеличение степени их сольватации (гидратации). Сообщение скоагулированным частицам дисперсной фазы золя заряда способствует, с одной стороны, общему разрыхлению осадка, с другой – переводу этих частиц во взвешенное состояние благодаря броуновскому движению. При этом происходит образование вокруг диспергируемых частиц сольватных оболочек, производящих свое расклинивающее действие.

Как и коагуляция, пептизация гидрофобных золей не затрагивает глубинных масс коллоидного ядра. Эти процессы протекают в тончайших слоях на поверхности раздела фаз, поэтому для пептизации требуются незначительные количества электролитов по сравнению с количеством осадка, переводимого в состояние золя (рисунок 14). 

Так, если брать одинаковое количество коагулянта и пептизировать его различным количеством пептизатора, то при малых количествах происходит лишь его адсорбция без растворения осадка (кривая ОА, рис. 14), при дальнейшем повышении концентрации пептизатора происходит и увеличение растворимости (кривая АВ). Если и дальше увеличивать количество пептизатора, растворимость, быстро увеличиваясь, достигает определенного предела и уже не зависит от количества пептизатора (кривые ВС и СD). При большом избытке пептизатора может наступить коагуляция (кривая DЕ). Рассмотренная нами кривая OD дает типичную картину адсорбционной пептизации.

Помимо адсорбционной, различают еще диссолюционную пептизацию. Этот вид пептизации охватывает собой все случаи, когда процесс пептизации сопряжен с химической реакцией поверхностно расположенных молекул коллоидных мицелл.

При постоянном количестве пептизатора и возрастающем количестве коагеля пептизируемость последнего сначала возрастает, достигая максимума, затем уменьшается. Эта закономерность, установленная В. Оствальдом и А. Буцагом, получила название правила осадка.

Рассеяние света. С классической точки зрения рассеяние света состоит в том, что

электромагнитные волны, проходя через вещество, вызывают колебания электронов в атомах. Объяснение: если размеры частицы малы, то электроны, совершающие

вынужденные колебания в атомах, эквивалентны колеблющемуся диполю. Этот диполь колеблется с частотой падающей на него световой волны. Отсюда, коротковолновая часть спектра рассеивается значительно более интенсивно, чем длинноволновая. Голубой свет рассеивается почти в 5 раз интенсивнее, чем красный. Поэтому рассеянный свет – голубой, а прошедший – красноватый. На очень больших высотах (сотни километров) концентрация молекул атмосферы очень мала, рассеяние практически исчезает, небо должно казаться черным, а звезды видны в присутствии Солнца. При космических полетах все эти предсказания подтвердились полностью.

Закон Рэлея-Джинса - закон излучения для равновесной плотности излучения абсолютно чёрного тела и для испускательной способности абсолютно чёрного тела .

Эффект Тиндаля, рассеяние Тиндаля (англ. Tyndall effect) - оптический эффект, 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 (например, золей, металлов, разбавленных латексов, табачного дыма), в которых частицы и окружающая их среда различаются по показателю преломления.

Нефелометрия - метод исследования и анализа вещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами данного вещества.

Суть метода

Интенсивность рассеянного светового потока зависит от множества факторов, в частности от концентрации частиц в анализируемой пробе. Большое значение при нефелометрии имеет объём частиц, рассеивающих свет. Важное требование к реакциям, применяемым при нефелометрии, заключается в том, что продукт реакции должен быть практически нерастворим и представлять собой суспензию (взвесь). Для удержания твёрдых частиц во взвешенном состоянии применяются различные стабилизаторы (например, желатин), предотвращающие коагуляцию частиц.

50.Тепловое излучение тел. Законы излучения абсолютно чёрного тела (Стефана–Больцмана, Вина).

Между всеми телами природы идёт бесконечный процесс обмена энергией. Тела непрерывно излучают и поглощают энергию. Если возбуждение атомов происходит в результате их столкновения с другими атомами этого же тела в процессе теплового движения, то возникающее при этом электромагнитное излучение называется тепловым.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. При этом независимо от температуры тело испускает все без исключения длины волн, т.е. спектр теплового излучения является сплошным и простирается от нуля до бесконечности. Однако, чем выше температура, тем более коротковолновое излучение является основным в спектре излучения. Процесс испускания электромагнитных волн телом происходит одновременно и независимо с их поглощением.

Тело, которое полностью поглощает энергию во всём диапазоне длин волн, т.е. для которого α = 1, называется абсолютно чёрным (чёрным)

ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА. закон смещения Вина

Стефаном и Больцманом было получено интегральное выражение для энергетической светимости чёрного тела, не учитывающее распределение энергии по длинам волн:

R = σT 4 , σ – постоянная Стефана-Больцмана (σ = 5,6696·10 -8 Вт/(м 2 ·К 4)).

Для серых тел закон Кирхгофа позволяет записать r λ = α λ ε λ , тогда для энергетической светимости серых тел имеем: .

Анализируя кривые, Вин установил, что длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, определяется соотношением: .

Это закон Вина, где b = 0,28978·10 -2 м·K – постоянная Вина.

Определим значение длины волны, для которой ε λ имеет максимальное значение при заданной температуре, исходя из соотношения. Согласно правилам отыскания экстремумов, это будет при условии . Вычисления показывают, что это будет иметь место, если λ = b/Т.

Из соотношения видно, что с ростом температуры, длина волны, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно чёрного тела, смещается в коротковолновую область. По этой причине, соотношение известно в научной литературе ещё и как закон смещения Вина. Этот закон выполняется и для серых тел.

Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют на основании измерений энергии излученной телом определять их температуры. Этот раздел физики называется оптической пирометрией.

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.

Один стакан с раствором хлорида натрия , а другой - с гидрозолем яичного белка , трудно установить, где коллоидный раствор , а где истинный, так как на вид обе жидкости бесцветны и прозрачны (рис. 85). Однако эти растворы можно легко различить, проделав следующий опыт. Наденем на (настольную лампу) светонепроницаемый футляр с отверстием, перед которым в целях получения более узкого и яркого пучка света поставим линзу. Если на пути луча света поставить оба стакана, в стакане с золем увидим световую дорожку (конус), в то время как в стакане с хлоридом натрия луч почти не заметен. По имени ученых, впервые наблюдавших это явление, светящийся конус в жидкости был назван конусом (или эффектом) Фарадея - Тиндаля. Этот эффект является характерным для всех коллоидных растворов.

Таким образом , эффект Фарадея - Тиндаля - явление, идентичное опалесценции, и отличается от последней только видом коллоидного состояния, т. е. микрогетерогенности системы.

В растворах ВМС эффект Фарадея - Тиндаля обнаруживается не совсем четко вследствие того, что показатель преломления сольватированных частиц растворенного вещества п мало отличается от показателя преломления растворителя По, поэтому разность п - о- О, а интенсивность рассеяния света растворами ВМС незначительна (см. гл. VII, 91). По этой же причине макромолекулы невозможно обнаружить под ультрамикроскопом.

Все оптические свойства высокодисперсных систем, из -которых мы рассмотрим здесь окраску, опалесценцию, эффект Фарадея-Тиндаля и явления, наблюдаемые посредством ультрамикроскопа, интересны прежде всего тем, что, как это весьма схематически иллюстрирует рис. 2, интенсивность их является максимальной в коллоидной области дисперсности . Эта особенность связана с тем, что длина световых волн видимой части спектра (760-400 ммк) превышает размеры частиц высокодисперсных систем (200-2 ммк). Интенсивность выражения этих свойств с величиной разности плотностей веществ дисперсной фазы й и дисперсионной среды о и с разностью их показателей преломления п и п. чем больше разности й-и п-п, тем резче выражены и оптические свойства . Именно этим объясняется тот факт, что оптические свойства вообще несравненно ярче выражены в золях (особенно металлических), чем в растворах высокомолекулярных соединений . По этой причине наше дальнейшее описание оптических свойств будет касаться почти исключительно золей.

ОПАЛЕСЦЕНЦИЯ И ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ-ТИНДАЛЯ

Было установлено, что при пропускании пучка света через чистую воду и другие чистые жидкости и через чистый (т. е. лишенный капелек и кристалликов воды и пыли) воздух, а растворы с низкомолекулярным растворенным веществом эффект Фарадея-Тиндаля не наблюдается, как не наблюдается в них и опалесценция. Такие среды получили название оптически пустых . Следовательно, эффект Фарадея-Тиндаля явился важным средством для обнаружения коллоидного состояния , т. е. микрогетерогенности системы.

Фарадея - Тиндаля, а само явление - эффектом Фарадея - Тиндаля.

Явление рассеяния света мельчайшими частицами и лежит в

… 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: