Рассеяние света и явление тиндаля. Оптические свойства коллоидных растворов

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.

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.

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.

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

***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 ...***

Рассеяние света является одной из общих характеристик высокодисперсных систем.

При боковом освещении дисперсной системы наблюдается характерное переливчатое, как правило, голубоватое свечение, особенно хорошо видное на тёмном фоне.

Это свойтво, связанное с рассеянием света частицами дисперсной фазы, называют опалесценцией, от названия опала - opalus (лат.), полупрозрачного минерала голубовато- или желтовато-белого цвета. В 1868 году обнаружил, что при освещении коллоидного раствора сбоку пучком света от сильного источника наблюдается яркий равномерно светящийся конус - конус Тиндаля, или эффект Тиндаля , тогда как в случае низкомолекулярного раствора жидкость кажется оптически пустой, т.е. след луча невидим.

слева - 1 %-ный раствор крахмала, справа - вода.

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). 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.