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

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

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.

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.