Оптические свойства коллоидов. Эффект Тиндаля. Опалесценция, рассеяние света

И в физике, и в химии изучается явление, которое помогает объяснить, почему некоторые частицы видны в определенное время. Это явление известно как Эффект Тиндаля. Это физическое явление было изучено ирландским ученым Джоном Тиндаллом в 1869 году. С тех пор эти исследования нашли многочисленные применения в области физики и химии. И дело в том, что он изучает некоторые частицы, которые не видны невооруженным глазом. Однако благодаря тому, что они могут отражать или преломлять свет, в определенных ситуациях они становятся невидимыми.

В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать об эффекте Тиндаля и его важности для физики в химии.

История исследования

Данное явление получило свое название в честь ирландского физика Д.Тиндаля, который впервые документально его описал в середине 19 века. Ученый проводил эксперименты с коллоидными растворами. При этом установил интересную особенность поведения направленного пучка света при преодолении раствора, содержащего микроскопические вещества. Рассеяние имело четко обозначенные границы, обладало формой конуса с вершиной в месте вхождения света. Усиления видимости удавалось добиться темным фоном.

Схема эффекта Тиндаля

Публикации: Прочее (рубрикатор)

• … 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!

Физическая сторона процесса

Подобное поведение световых лучей вполне типично при преодолении веществ (жидких или твердых), содержащих примеси. Видимая опалесценция обусловлена рассеянием и поляризацией световых волн при их отражении от находящихся внутри частиц. Последние имеют размер, превышающий атомы вещества в десятки раз.

Джон Тиндаль установил критические границы и вывел зависимость. Согласно его исследованию, если размер коллоидной частицы равен 1/20 атома, появляется полихромное рассеяние света синеватого или красного оттенков. При дальнейшем увеличении размера микрочастиц, эффект пропадает.

Условия возникновения эффекта

Конус Тиндаля заметен невооруженным глазом, особенно на темном фоне. Аналогичное явление можно наблюдать в некоторых минералах при условиях:

• Наличия источника направленного света;
• Прозрачной структуры;
• Ювелирной обработки;
• Пребывания в составе кристалла коллоидных частиц.

Наблюдаемый при этом эффект Тиндаля может не быть достаточно четким, как в опытах с растворами, тем не менее, отклонение и рассеяние лучей заметно без специальных увеличительных или оптических приборов.

Таким образом, конусное расхождение лучей белого света можно наблюдать при освещении минерала, содержащего микрочастицы:

• Хрома;
• Селена;
• Натрия;
• Кальция;
• Фосфора;
• Кремния;
• Марганца;
• Меди.

Оптические свойства коллоидов. Эффект Тиндаля. Опалесценция, рассеяние света

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДОВ

Электрокинетические явления подразделяют на две группы: прямые и обратные. К прямым относят те электрокинетические явления, которые возникают под действием внешнего электрического поля (электрофорез и электроосмос). Обратными называют электрокинетические явления, в которых при механическом перемещении одной фазы относительно другой возникает электрический потенциал (потенциал протекания и потенциал седиментации).

Электрофорез и электроосмос были открыты Ф. Рейссом (1808). Он обнаружил, что если во влажную глину погрузить две стеклянные трубки, заполнить их водой и поместить в них электроды, то при пропускании постоянного тока происходит движение частичек глины к одному из электродов.

Это явление перемещения частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле было названо электрофорезом.

В другом опыте средняя часть U-образной трубки, содержащей воду, была заполнена толченым кварцем, в каждое колено трубки помещен электрод и пропущен постоянный ток. Через некоторое время в колене, где находился отрицательный электрод, наблюдалось поднятие уровня воды, в другом — опускание. После выключения электрического тока уровни воды в коленах трубки уравнивались.

Это явление перемещения дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в постоянном электрическом поле названо электроосмосом.

Позже Квинке (1859) обнаружил явление, обратное электроосмосу, названное потенциалом протекания. Оно состоит в том, что при течении жидкости под давлением через пористую диафрагму возникает разность потенциалов. В качестве материала диафрагм были испытаны глина, песок, дерево, графит.

Явление, обратное электрофорезу, и названное потенциалом седиментации, было открыто Дорном (1878). При оседании частиц суспензии кварца под действием силы тяжести возникала разность потенциалов между уровнями разной высоты в сосуде.

Все электрокинетические явления основаны на наличии двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз.

https://junk.wen.ru/o_6de5f3db9bd506fc.html

18. Особые оптические свойства коллоидных растворов обусловлены их главными особенностями: дисперсностью и гетерогенностью. На оптические свойства дисперсных систем в значительной степени влияют размер и форма частиц. Прохождение света через коллоидный раствор сопровождается такими явлениями, как поглощение, отражение, преломление и рассеяние света. Преобладание какого-либо из этих явлений определяется соотношением между размером частиц дисперсной фазы и длиной волны падающего света. В грубодисперсных системах в основном наблюдается отражение света от поверхности частиц. В коллоидных растворах размеры частиц сравнимы с длиной волны видимого света, что предопределяет рассеяние света за счёт дифракции световых волн.

Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции – матового свечения (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещении золя. Причиной опалесценции является рассеяние света на коллоидных частицах за счёт дифракции. С опалесценцией связано характерное для коллоидных систем явление – эффект Тиндаля: при пропускании пучка света через коллоидный раствор с направлений, перпендикулярных лучу, наблюдается образование в растворе светящегося конуса.

Эффект Тиндаля, рассеяние Тиндаля — оптический эффект, рассеивание 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. На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул.

19. Золи -это малорастворимые вещества (соли кальция, магния, холестерина идр) существующие в виде лиофобных коллоидных растворов.

Нью́тоновская жидкость — вязкая жидкость, подчиняющаяся в своём течении закону вязкого трения Ньютона, то есть касательное напряжение и градиент скорости в такой жидкости линейно зависимы. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен как вязкость.

Ньютоновская жидкость продолжает течь, даже если внешние силы очень малы, лишь бы они не были строго нулевыми. Для ньютоновской жидкости вязкость, по определению, зависит только от температуры и давления (а также от химического состава, если жидкость не является беспримесной), и не зависит от сил, действующих на неё. Типичная ньютоновская жидкость — вода.

Неньюто́новской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше её вязкость.

Камни с эффектом Тандаля

Конус Тиндаля наблюдается в облагороженных камнях, обладающих способностью к проявлению опалесценции:

• Опал;
• Аметист;
• Кварц;
• Янтарь.

слева направо янтарь, кварц, аметист

Следует отметить, что в зависимости от геометрических особенностей поверхности частиц, они по-разному отражают лучи. Если их толщина будет меньше или равна длине волны белого света, наблюдатель сможет увидеть радужное свечение. Однотонное, голубое, появляется при освещении опала буте.

опал бутте