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.

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

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.

John Tyndall, 1820-93

Ирландский физик и инженер. Родился в Лайлин-Бридж, графство Карлоу (Leighlin Bridge, County Carlow). По окончании средней школы работал топографом-геодезистом в военных организациях и на строительстве железных дорог. Одновременно окончил механический институт в Престоне. Уволен с военно-геодезической службы за протесты против плохих условий труда. Преподавал в Куинвуд-колледже (Хэмпшир), одновременно продолжал самообразование. В 1848-51 гг. слушал лекции в Марбургском и Берлинском университетах. Вернувшись в Англию, стал преподавателем, а затем и профессором Королевского института (Royal Institution) в Лондоне. Основные труды ученого посвящены магнетизму, акустике, поглощению теплового излучения газами и парами, рассеянию света в мутных средах. Изучал строение и движение ледников в Альпах.

Тиндаль был крайне увлечен идеей популяризации науки. Регулярно читал публичные лекции, часто в форме бесплатных лекций для всех желающих: для рабочих на заводских дворах в обеденные перерывы, рождественские лекции для детей в Королевском институте. Слава Тиндаля как популяризатора достигла и другого берега Атлантики — весь тираж американского издания его книги «Фрагменты науки» (Fragments of Science , 1871) был раскуплен за один день. Погиб в 1893 году нелепой смертью: готовя обед, жена ученого (пережившая его на 47 лет) по ошибке использовала вместо поваренной соли один из хранившихся на кухне химических реактивов.

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.

• … 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!