Эффектом тиндаля называется рассеяние. Оптические свойства коллоидов. Эффект Тиндаля. Опалесценция, рассеяние света. Светорассеяние в коллоидных растворах. Эффект Тиндаля-Фарадея
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.
По оптическим свойствам коллоидные растворы существенно» отличаются от истинных растворов низкомолекулярных веществ, а также от грубодисперсных систем. Наиболее характерными оптическими свойствами коллоидно-дисперсных систем являются опалесценция, эффект Фарадея - Тиндаля и окраска. Все эти явления обусловлены рассеянием и поглощением света коллоидными частицами.
В зависимости от длины волны видимого света и относительных размеров частиц дисперсной фазы рассеяние света принимает различный характер. Если размер частиц превышает длину световых волн, то свет от них отражается по законам геометрической оптики. При этом часть светового излучения может проникать внутрь частиц, испытывать преломление, внутреннее отражение и поглощаться.
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. 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. Дифракционное рассеяние света впервые было замечено М. В. Ломоносовым. Позднее, в 1857 г., это явление наблюдал Фарадей в золях золота. Наиболее детально явление дифракции (опалесценции) для жидких и газовых сред было изучено Тиндалем (1868).
Если взять 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. 6.5). Однако эти растворы можно легко различить, проделав следующий опыт. Наденем на источник света (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.
Появление конуса Фарадея - Тиндаля объясняется явлением рассеяния света коллоидными частицами размером 0,1-0,001 мкм.
Длина волн видимой части спектра 0,76-0,38 мкм, поэтому каждая коллоидная частица рассеивает падающий на нее свет. Он виден в конусе Фарадея - Тиндаля, когда луч зрения направлен под углом к проходящему через золь лучу.Таким образом, эффект Фарадея - Тиндаля -явление, идентичное опалесценции, и отличается от последней только видом коллоидного состояния, т. е. микрогетерогенности системы.
Теория рассеяния света коллоидно-дисперсными системами была разработана Рэлеем в 1871 г. Она устанавливает зависимость интенсивности (количества энергии) рассеянного света (I) при опалесценции и в конусе Фарадея - Тиндаля от внешних и внутренних факторов. Математически эта зависимость выражается в виде формулы, получившей название формулы Рэлея:
 | 6.1 |
где I - интенсивность рассеянного света в направлении, перпендикулярном к лучу падающего света; К - константа, зависящая от показателей преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы; n - число частиц в единице объема золя; λ - длина волны падающего света; V - объем каждой частицы.
Из формулы (6.1) следует, что рассеяние света (I) пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы (или для сферических частиц - шестой степени их радиуса) и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Таким образом, рассеяние коротких волн происходит относительно более интенсивно. Поэтому бесцветные золи в проходящем свете кажутся красноватыми, в рассеянном - голубыми.
Окраска коллоидных растворов. В результате избирательною поглощения света (абсорбции) в сочетании с дифракцией образуется та или иная окраска коллоидного раствора. Опыт показывает, что большинство коллоидных (особенно металлических) растворов ярко окрашено в самые разнообразные цвета, начиная от белого и кончая совершенно черным, со всеми оттенками цветового спектра. Так, золи As 2 S 3 имеют ярко-желтый, Sb 2 S 3 - оранжевый, Fe(OH) 3 - красновато-коричневый, золота - ярко-красный цвет и т. п.
Один и тот же золь имеет различную окраску в зависимости от того, в проходящем или отраженном свете она рассматривается. Золи одного и того же вещества в зависимости от способа приготовления могут приобретать различную окраску- явление полихромии (многоцветности). Окраска золей в данном случае зависит от степени дисперсности частиц. Так, грубодисперсные золи золота имеют синюю окраску, большей степени дисперсности - фиолетовую, а высокодисперсные - ярко – красную. Интересно отметить, что цвет металла в недисперсном состоянии не имеет ничего общего с его цветом в коллоидном состоянии.
Необходимо отметить, что интенсивность окраски золей в десятки (а то и в сотни) раз больше, чем молекулярных растворов. Так, желтая окраска золя As 2 S 3 в слое толщиной в 1 см хорошо заметна при массовой концентрации 10 -3 г/л, а красный цвет золя золота заметен даже при концентрации 10 -5 г/л.
Красивая и яркая окраска многих драгоценных и полудрагоценных камней (рубинов, изумрудов, топазов, сапфиров) обусловлена содержанием в них ничтожных (не определимых даже на лучших аналитических весах) количеств примесей тяжелых металлов и их оксидов, находящихся в коллоидном состоянии. Так, для искусственного получения яркого рубинового стекла, употребляемого для автомобильных, велосипедных и прочих фонарей, достаточно на 1000 кг стеклянной массы добавить всего лишь 0,1 кг коллоидного золота.
Эффект Тиндаля
, рассеяние Тиндаля
(англ. Tyndall effect
) - оптический эффект , рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля
), видимого на тёмном фоне.
Эффект Тиндаля назван по имени открывшего его Джона Тиндаля .
См. также
Напишите отзыв о статье "Эффект Тиндаля"
Ссылки
Отрывок, характеризующий Эффект Тиндаля
– Ну хорошо, хорошо, после расскажешь, – краснея сказала княжна Марья.– Позвольте у нее спросить, – сказал Пьер. – Ты сама видела? – спросил он.
– Как же, отец, сама удостоилась. Сияние такое на лике то, как свет небесный, а из щечки у матушки так и каплет, так и каплет…
– Да ведь это обман, – наивно сказал Пьер, внимательно слушавший странницу.
– Ах, отец, что говоришь! – с ужасом сказала Пелагеюшка, за защитой обращаясь к княжне Марье.
– Это обманывают народ, – повторил он.
– Господи Иисусе Христе! – крестясь сказала странница. – Ох, не говори, отец. Так то один анарал не верил, сказал: «монахи обманывают», да как сказал, так и ослеп. И приснилось ему, что приходит к нему матушка Печерская и говорит: «уверуй мне, я тебя исцелю». Вот и стал проситься: повези да повези меня к ней. Это я тебе истинную правду говорю, сама видела. Привезли его слепого прямо к ней, подошел, упал, говорит: «исцели! отдам тебе, говорит, в чем царь жаловал». Сама видела, отец, звезда в ней так и вделана. Что ж, – прозрел! Грех говорить так. Бог накажет, – поучительно обратилась она к Пьеру.
– Как же звезда то в образе очутилась? – спросил Пьер.
– В генералы и матушку произвели? – сказал князь Aндрей улыбаясь.
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.
Цели занятия:
Образовательная: ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов.
Развивающая: расширить представления студентов об оптических свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.
Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.
Средства наглядности : компьютер, экран, проектор.
Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).
Этапы занятия: I Организационная часть
Светорассеяние в коллоидных растворах. Эффект Тиндаля-Фарадея
Оптические свойства коллоидных растворов определяются светорассеянием в коллоидных растворах, окраской коллоидных растворов, поглощением света коллоидами, отражением света поверхностью частиц, а также ультрамикроскопические, электрономикроскопические и ренгеноско-пические свойства. Очень часто коллоидные системы окрашены. Окраска меняется в зависимости от степени дисперсности, химической природы частиц и их формы, так как эти факторы влияют на рассеяние и адсорбцию света. Золи металлов, имеющих высокую степень дисперсности, имеют обычно красный или тёмно-жёлтый цвет, а металлы с низкой степенью дисперсности фиолетовый или бледно-голубой цвет. Например, при большей степени дисперсности золи золота приобретают красный цвет, а при низкой степени фиолетовый и бледно-голубой. Окраска золей металлов зависит также и от длины поглощаемой световой волны. Луч прожектора, туман, дым бесцветны. Голубой цвет неба объясняется светорассеиванием солнечных лучей в слоях воздуха.
Если размеры частиц больше длины световой волны то, согласно закону геометрической оптики свет отражается от поверхности частицы. Однако если частицы по своим размерам меньше длины световой волны, тогда среди наблюдаемых оптических явлений имеет место светорассеяние. Поэтому при прохождении света через коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы, происходит рассеивание света частицами дисперсной фазы. Если направить пучок светового луча на дисперсную систему, путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса. Это явление исследовали сначала Фарадей, а затем более подробно Тиндаль. Поэтому данное явление называется эффектом Тиндаля-Фарадея.
Для наблюдения эффекта Тиндаля-Фарадея, дисперсную систему (С) вливают в четырёхгранную стеклянную ёмкость (кювет), ставят перед кюветом тёмный занавес и освещают проекционным фонарём (А) (рис. 8). При этом опыте образуется светящийся конус, причиной которого служит рассеяние света коллоидными частицами и в результате каждая частица кажется точкой, дающей свет. Процесс светорассеяния мельчайшими частицами называется опалесценцией. В истинных водных растворах, в смеси чистых жидкостей свет рассеивается в ничтожно малых количествах и поэтому эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Его можно увидеть только в специальном приборе. Иногда внешне не удаётся отличить истинный раствор от коллоидного, и для установления, является ли данный раствор коллоидом или истинным раствором пользуются эффектом Тиндаля-Фарадея. Интенсивность эффекта Тиндаля-Фарадея повышается с увеличением степени дисперсности золя, и при достижении некоторой степени дисперсности доходит до максимума и затем понижается. В грубодисперсных системах (в силу того, что размеры частиц больше длины световой волны) свет отражается от поверхности частицы под определённым углом и вследствие этого наблюдается отражение света.
В грубодисперсных системах одинаково отражаются световые волны различной длины. Если на систему падает белый свет, то и отражённый свет тоже будет белым.
Процесс рассеивания световых волн коллоидными частицами зависит от длины световой волны. Согласно закону Релея интенсивность светорассеяния в коллоидной системе, обусловленная дифракцией, пропорциональна числу частиц, квадрату объёма частиц и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны падающего света.
Здесь J0 ? интенсивность рассеянного света, J ? интенсивность падающего света, v - численная концентрация, V ? объём частицы, n1 -показатель преломления дисперсной фазы, n2 ? показатель преломления дисперсионной среды, k - константа, зависящая от интенсивности падающего света и от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, л - длина световой волны, нм.
Значение n1 в данном уравнении зависит от природы вещества. Если n1 и n2 равны между собой, тогда в таких системах эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Чем больше разность между коэффициентами преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, тем явно наблюдается эффект Тиндаля-Фарадея.
Уравнение Релея применимо только для таких коллоидных растворов, в которых размер частиц составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения видно, что интенсивность рассеяния света обратно пропор-циональна четвёртой степени длины волны и поэтому в процессе рассеивания образуются более короткие волны. Поэтому при боковом освещении коллоидного раствора полихроматичным (белым) светом, коллоидные растворы имеют синеватую окраску.
