コロイドの光学的性質。 乳白色、光散乱
濁った環境では、紫と青色の光が最も散乱され、オレンジと赤色の光は最も散乱されません。
チンダル効果は、光線とさまざまな媒体の相互作用に関する科学者の研究の結果として発見されました。 彼は、埃っぽい空気や煙のような空気、コロイド溶液、曇ったガラスなど、小さな固体粒子の懸濁液を含む媒体を光線が通過すると、ビームのスペクトル色が青紫から黄色に変化するにつれて散乱効果が減少することを発見しました。 -スペクトルの赤い部分。 太陽光などの白色光を、フルカラースペクトルを含む濁った媒体に通すと、スペクトルの青色部分の光は部分的に散乱され、スペクトルの緑、黄、赤の部分の強度は低下します。明るさはほぼ変わりません。 したがって、光源から離れた曇った媒体を通過した後の散乱光を見ると、元の光よりも青く見えます。 散乱線に沿って、つまり混濁した媒体を通して光源を見ると、その光源は実際よりも赤く見えます。 たとえば森林火災によるもやが私たちには青紫色に見えるのはこのためです。
チンダル効果は、原子の寸法の数十倍を超える寸法を持つ浮遊粒子上で散乱が発生するときに発生します。 懸濁粒子が光の波長の 1/20 程度（約 25 nm 以上）のサイズに拡大されると、散乱は次のようになります。 多色つまり、光は紫から赤までの可視色の範囲全体にわたって均一に散乱し始めます。 その結果、チンダル効果は消えます。 これが、濃い霧や積雲が私たちには白く見える理由です。それらは、粒子径がミクロンからミリメートルの範囲にある水塵の高密度の懸濁液で構成されており、チンダル散乱閾値をはるかに上回っています。
チンダル効果のせいで空が青く見えるのではないかと思われるかもしれませんが、そうではありません。 雲や煙がない場合、空気分子による「日光」の散乱により、空は青くなります。 このタイプの散乱はと呼ばれます レイリー散乱(レイリー卿にちなんで、レイリーの基準を参照)。 レイリー散乱では、青と青色の光はチンダル効果よりもさらに散乱されます。たとえば、波長 400 nm の青色の光は、きれいな空気中では波長 700 nm の赤色の光よりも 9 倍強く散乱されます。 これが、私たちにとって空が青く見える理由です。太陽光はスペクトル範囲全体に散乱されていますが、スペクトルの青い部分では、赤色よりもほぼ一桁強いのです。 日焼けの原因となる紫外線はさらに強く散乱されます。 そのため、日焼けは体全体にかなり均等に分布し、直射日光にさらされていない皮膚の領域もカバーします。
一方のガラスには塩化ナトリウムの溶液が入っており、もう一方のガラスには卵白ヒドロゾルが入っています。両方の液体の外観は無色透明であるため、どちらがコロイド溶液でどちらが本物であるかを判断するのは困難です（図85）。 ただし、これらの解決策は、次の実験を実行することで簡単に区別できます。 穴の開いた遮光ケース（テーブルランプ）を置き、その前にレンズを置き、より細くて明るい光線を取得します。 両方のガラスを光線の経路に置くと、ゾルを含むガラスでは光路（円錐）が見えますが、塩化ナトリウムを含むガラスでは光線はほとんど見えません。 この現象を最初に観察した科学者にちなんで、液体中の発光円錐はファラデー・チンダル円錐（または効果）と呼ばれました。 この効果はすべてのコロイド溶液の特徴です。
したがって、ファラデー・チンダル効果は乳光と同一の現象であり、後者とはコロイド状態の種類、すなわち系の微小不均一性が異なるだけである。
VMC 溶液では、溶質の溶媒和粒子の屈折率 n が溶媒の屈折率 Po とほとんど変わらないため、ファラデー・チンダル効果は明確に検出されません。したがって、差 n - o-O、およびVMC 溶液による光散乱はわずかです (第 VII 章、91 を参照)。 同じ理由で、高分子は超顕微鏡では検出できません。
ここで色、乳光、ファラデー・チンダル効果、超顕微鏡を通して観察される現象など、高度に分散した系のすべての光学特性が興味深いのは、主に図 1 に非常に概略的に示されているように、次のような理由からです。 図２に示されるように、それらの強度は分散のコロイド領域で最大となる。 この特徴は、スペクトルの可視部分の光の波長 (760 ～ 400 mmk) が高度に分散した系の粒子サイズ (200 ～ 2 mmk) を超えるという事実によるものです。 これらの性質の発現の強さは、分散相の物質の密度の差 d と分散媒 o の屈折率の差 n と n に依存し、差 d- と n-n が大きいほど大きくなります。光学特性が鮮明に表現されています。 これは、光学特性が一般に高分子量化合物の溶液よりもゾル (特に金属ゾル) の方が比類のないほど顕著であるという事実を説明しています。 このため、光学特性のさらなる説明は、ほぼゾルのみに関するものになります。
乳白色とファラデー・チンダル効果
光線が純水や他の純粋な液体、きれいな（つまり、水滴や水や塵の結晶がない）空気、および低分子量の溶質を含む溶液を通過すると、ファラデー・チンダル効果が発生することが判明しました。それらと乳白色で観察されないのと同じように、観察されません。 このようなメディアは光学的に空と呼ばれます。 したがって、ファラデー・チンダル効果は、コロイド状態、つまり系の微小不均一性を検出するための重要な手段でした。
小さな粒子による光の散乱現象は、
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私たちは日常生活の中で、自分がどのような驚くべき物理現象を扱っているのかについてまったく考えずに、一方では平凡であると同時に他方では驚くべき現象に何度も遭遇し、直面しています。
将来的には、自分の人生を物理学などの科学と結びつけていきたいと考えており、このテーマに関するあらゆる質問にすでに興味を持っており、光学効果の 1 つを研究テーマとして選択しました。
現在までに、光学効果、特にチンダル効果に特化した作品が存在します。 しかし、私は自分で実験を行ってこのテーマを研究することにしました。
曇ったガラス、煙のような空気、またはでんぷん溶液に異なるスペクトル色の光を通すと、異なる結果が観察されるのはなぜでしょうか? 濃い霧や積雲はなぜ白く見え、山火事によるもやは青紫色に見えるのでしょうか。 これらの現象を説明してみましょう。
プロジェクトの目的:
チンダル効果を使用してコロイドを検出します。
コロイド溶液を通る光線の通過を決定する要因の影響を調査します。
研究目的：
チンダル効果の実現に対する波長の影響の研究。
チンダル効果の実現に対する粒子サイズの影響の研究。
チンダル効果の実現に対する粒子濃度の影響の研究。
チンダル効果に関する追加情報を検索する。
獲得した知識の一般化。
チンダル効果
光の屈折、反射、分散、干渉、回折など、光学効果は私たちの周りに溢れています。 そのうちの 1 つは、英国の物理学者ジョン ティンダルによって発見されたティンダル効果です。
ジョン・ティンダル - 測量士、ファラデーフェロー、ロンドン王立研究所所長、氷河学者および眼鏡技師、音響学者、磁気の専門家。 彼の姓は、月のクレーター、チリの氷河、そして興味深い光学効果に名前を与えました。
チンダル効果は、光学的に不均質な媒体を通過する光の散乱によるその媒体の輝きです。 この現象は、媒体の不均一な粒子または要素上の光の回折によって引き起こされ、そのサイズは散乱光の波長よりもはるかに小さくなります。
異種媒体とは何ですか? 不均一媒体は、可変の屈折率を特徴とする媒体です。 それらの。 n ≠定数.
この効果にはどのような特徴があると考えられますか? チンダル効果は、粒子の濃度が低いコロイド系 (異なるサイズの粒子の形をした 1 つの物質が別の物質に分散している系。たとえば、ヒドロゾル、タバコの煙、霧、ゲルなど) の特徴です。媒質の屈折率とは異なる屈折率。 通常、集束した光ビームがコロイド溶液で満たされた面平行壁を備えたガラス容器を側面から通過すると、暗い背景上の光円錐 (チンダル円錐) として観察されます。 (コロイド溶液は、分散媒と分散相からなる高度に分散された二相系であり、後者の線形粒子サイズは 1 ～ 100 nm の範囲です)。
チンダル効果は本質的には乳光（光散乱の急激な増加）と同じです。 しかし伝統的に、最初の用語はビームの経路に沿った限られた空間での光の強い散乱を指し、2 番目の用語は観察対象の体積全体による光の弱い散乱を指します。
実験作品
簡単な技術を使用して、チンダル効果を使用して液体中のコロイド系を検出する方法を見てみましょう。
材料：蓋付きのガラス容器 2 個、指向性光源 (レーザー ポインターなど)、食卓塩、界面活性剤溶液 (液体洗剤など)、鶏卵 1 個、希塩酸溶液。
実験の実施:
ガラス容器に水を注ぎ、少量の食塩を完全に溶かします。
得られた溶液でガラスを側面から細い光線（レーザーポインターの光線）で照らします。 塩は完全に溶解しているため、目立った影響は観察されません。
生物材料を使った実験:
チキンプロテインを1%食塩水約300mlに溶かします。
得られたソリューションを細い光線で照らします。 ガラスを横から見ると、ビームの経路に明るい発光ストライプが見えます - チンダル効果の出現です。
次に、希塩酸溶液をタンパク質溶液に加えます。 タンパク質は凝固（変性）して白っぽい沈殿物を形成します。 ガラスの上部では、光線は再び見えなくなります。
実験結果:食塩水を入れたガラスビーカーに横から光線を当てると、溶液中では光線が見えなくなります。 コロイド溶液（界面活性剤溶液）を含むガラスを光線が通過すると、コロイド粒子によって光が散乱されるため、光線が見えるようになります。
チンダル効果の実現に対する波長、粒子サイズ、濃度の影響
波長。青い波は可視スペクトルの中で最も短い波長を持っているため、チンダル効果中に粒子から反射されるのはこれらの波ですが、より長い赤い波はあまり散乱されません。
粒子サイズ。粒子サイズが大きくなると、あらゆる波長の光の散乱に影響を与える可能性があり、「分割された」虹は完全に白い光に戻ります。
粒子濃度。散乱光の強度は、コロイド溶液中の粒子の濃度に直接比例します。
チンダル効果の応用
コロイド粒子のサイズと濃度を検出、測定するためのチンダル効果に基づく方法は、科学研究や産業現場 (超顕微鏡など) で広く使用されています。
超顕微鏡は、従来の光学顕微鏡の分解能限界より小さいサイズの小さな (コロイド状) 粒子を検出するための光学機器です。 超顕微鏡を使用してそのような粒子を検出できるのは、チンダル効果による粒子による光の回折によるものです。 強い側面照明の下では、超顕微鏡内の各粒子は、暗い背景上の明るい点 (発光回折スポット) として観察者によってマークされます。 最も小さな粒子では回折が起こるため、光はほとんど存在しないため、超顕微鏡では原則として強い光源が使用されます。
照明の強度、光波の長さ、粒子と媒体の屈折率の差に応じて、20 ～ 50 nm から 1 ～ 5 ミクロンのサイズの粒子を検出できます。 回折スポットから粒子の実際のサイズ、形状、構造を判断することは不可能です。 超顕微鏡では、研究対象の光学画像は得られません。 ただし、超顕微鏡を使用すると、粒子の存在と数値濃度を決定し、その動きを研究し、重量濃度と密度がわかっている場合は平均粒子サイズを計算することもできます。
超顕微鏡は、大気の純度を制御するための分散システムの研究に使用されます。 水、光学的に透明な媒体の異物による汚染の程度。
結論
研究中に、光学効果、特にチンダル効果について多くのことを学びました。 この研究は、物理学の一部の分野と私たちの素晴らしい世界全体の両方を新たに見るのに役立ちました。
この研究で議論されている側面に加えて、私の意見では、チンダル効果のより広範な実用化の可能性を研究することは興味深いでしょう。
研究の目的としては、光学に興味のある学生だけでなく、物理学や各種実験に興味のある人にとっても有益で興味深いかもしれません。
参考文献
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New Polytechnic Dictionary - M.: Great Russian Encyclopedia、2000。 - .20 p。 、231ページ。 、460ページ。
「NanoSchoolBox」の実験ガイド。 NanoBioNet e.V/サイエンスパーク翻訳INT。
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
光の散乱。 古典的な観点から見ると、光散乱は次のようになります。
物質を通過する電磁波は、原子内の電子の振動を引き起こします。 説明: 粒子サイズが小さい場合、電子は
原子の強制振動は、振動する双極子に相当します。 この双極子は、入射する光波の周波数で振動します。 したがって、スペクトルの短波長部分は長波長部分よりもはるかに強く散乱されます。 青色光は赤色光よりもほぼ 5 倍強く散乱されます。 したがって、散乱光は青く、透過光は赤みを帯びます。 非常に高い高度 (数百キロメートル) では、大気分子の濃度は非常に小さく、散乱はほとんどなくなり、空は黒く見え、太陽があると星が見えます。 宇宙飛行中に、これらの予測はすべて完全に裏付けられました。
レイリー ジーンズの法則は、絶対的な黒体の平衡放射線密度と絶対的な黒体の放射率に関する放射線の法則です。
チンダル効果、チンダル効果 - 光学効果、光ビームが光学的に不均質な媒体を通過するときの光の散乱。 通常、暗い背景に対して見える発光錐体 (チンダル錐体) として観察されます。
粒子とその環境の屈折率が異なる、コロイド系の溶液 (ゾル、金属、希釈ラテックス、タバコの煙など) の特性。
比濁法は、物質の浮遊粒子によって散乱される光束の強度に基づいて物質を研究および分析する方法です。
メソッドの本質
散乱光束の強度は多くの要因、特に分析サンプル中の粒子の濃度に依存します。 比濁法では、光を散乱する粒子の量が非常に重要です。 比濁法で使用される反応の重要な要件は、反応生成物が実質的に不溶性であり、懸濁液 (懸濁液) である必要があることです。 固体粒子を懸濁状態に保つために、粒子の凝集を防ぐためにさまざまな安定剤 (ゼラチンなど) が使用されます。
50. 物体の熱放射。 黒体放射の法則 (Stephan-Boltzmann、ウィーン)。
自然界のすべての物体の間では、エネルギー交換の終わりのないプロセスが存在します。 人体は継続的にエネルギーを放出および吸収します。 熱運動の過程で原子の励起が同じ物体の他の原子と衝突した結果生じる場合、その結果生じる電磁放射は熱放射と呼ばれます。
熱放射はどの温度でも発生します。 この場合、温度に関係なく、体は例外なくすべての波長を放射します。 熱放射のスペクトルは連続的で、ゼロから無限大まで広がります。 ただし、温度が高くなると、放射スペクトルの主となる短波放射が多くなります。 人体による電磁波の放射プロセスは、電磁波の吸収と同時に独立して発生します。
波長の全範囲にわたってエネルギーを完全に吸収する物体。 α = 1 を絶対的に黒 (黒) と呼びます。
ステファン・ボルツマンの法則。 ウィーンの移動法則
ステファンとボルツマンは、黒体のエネルギー的な明るさの積分式を取得しました。これは、波長にわたるエネルギーの分布を考慮していません。
R = σT 4、σ はステファン・ボルツマン定数 (σ = 5.6696・10 -8 W/(m 2 ・K 4)) です。
灰色の物体の場合、キルヒホッフの法則により r λ = α λ ε λ と書くことができ、灰色の物体のエネルギー的な光度については次のようになります。
ウィーンは、曲線を分析して、エネルギー光度の最大スペクトル密度が該当する波長が次の関係によって決定されることを発見しました。
これはウィーンの法則であり、b = 0.28978·10 -2 m·K がウィーン定数です。
この関係に基づいて、特定の温度で ε λ が最大値となる波長の値を決定してみましょう。 極値を見つけるためのルールに従って、これが提供されます。 計算によれば、これは λ = b/T の場合に起こります。
この関係から、温度が上昇すると、絶対黒体の最大放射率が発生する波長が短波長領域にシフトすることが明らかです。 このため、この関係は科学文献ではウィーンの変位則としても知られています。 この法則は灰色の物体にも当てはまります。
ステファン・ボルツマンの法則とウィーンの法則により、物体が放出するエネルギーの測定値に基づいて温度を決定することができます。 この物理学の分野は光学高温測定と呼ばれます。
粒子サイズが光の波長より一桁小さい混濁媒体中で光が散乱されるとき、暗い背景に光る円錐が現れること。
アニメーション
説明
チンダル効果は、光学的に不均質な媒体を通過する光の散乱によるその媒体の輝きです。 これは、散乱光の波長よりもはるかに小さいサイズの媒体の構造的不均一性の個々の粒子または要素での光の回折によって引き起こされます。 分散媒の屈折率とは異なる屈折率を有する低濃度の分散相粒子を含むコロイド系 (ヒドロゾル、タバコの煙など) の特性。 通常、集束した光ビームがコロイド溶液で満たされた面平行壁を備えたガラス製キュベットを側面から通過すると、暗い背景上の光錐体 (チンダル錐体) として観察されます。 白色（非単色）光の短波長成分は、長波長成分よりもコロイド粒子によって強く散乱されるため、非吸収性の灰中でコロイド粒子によって形成されるチンダル錐体は青みがかっています。
チンダル効果は本質的には乳光と同じです。 しかし伝統的に、最初の用語はビームの経路に沿った限られた空間での光の強い散乱を指し、2 番目の用語は観察対象の体積全体による光の弱い散乱を指します。
チンダル効果は、光散乱システムの体積の一部の均一な輝きとして肉眼で認識されます。 光は個々の点、つまり回折スポットから発せられ、希薄ゾルを十分に強く照射した光学顕微鏡下ではっきりと見ることができます。 特定の方向に散乱する光の強度 (入射光のパラメータが一定の場合) は、散乱粒子の数とそのサイズによって異なります。
タイミング特性
開始時間 (-12 ～ -6 にログ)。
寿命 (-12 から 15 までの log tc);
分解時間 (log td -12 から -6)。
最適な発達の時間 (log tk -9 から -7)。
図:
エフェクトの技術的な実装
エフェクトの技術的実装
この効果は、ヘリウムネオンレーザービームをコロイド溶液（単に無色のでんぷんゼリー）に通すと簡単に観察できます。
エフェクトを適用する
コロイド粒子のサイズと濃度を検出、決定するためのチンダル効果に基づく方法 (超顕微鏡、比濁法は科学研究や産業現場で広く使用されています)。
例。 超顕微鏡。
超顕微鏡は、従来の光学顕微鏡の分解能限界より小さいサイズの小さな (コロイド状) 粒子を検出するための光学機器です。 超顕微鏡を使用してこのような粒子を検出できるのは、チンダル効果による光の回折によるものです。 強い側面照明の下では、超顕微鏡内の各粒子は、暗い背景上の明るい点 (発光回折スポット) として観察者によってマークされます。 最も小さな粒子では回折が起こるため、光はほとんど存在しないため、超顕微鏡では原則として強い光源が使用されます。 照明の強度、光波の長さ、粒子と媒体の屈折率の差に応じて、20 ～ 50 nm から 1 ～ 5 ミクロンのサイズの粒子を検出できます。 回折スポットから粒子の実際のサイズ、形状、構造を判断することは不可能です。 超顕微鏡では、研究対象の光学画像は得られません。 しかし、超顕微鏡を使用すると、粒子の存在と数値濃度を決定し、その動きを研究し、重量濃度と密度がわかっていれば粒子の平均サイズを計算することもできます。
スリット超顕微鏡のスキーム (図 1a) では、研究対象のシステムは静止しています。
スリット顕微鏡の模式図
米。 1a
研究中の物体を備えたキュベット５は、狭い長方形のスリット３を介して光源１（２−コンデンサ、４−照明レンズ）によって照明され、その画像が観察ゾーンに投影される。 観察顕微鏡６の接眼レンズを通して、スリットの像面に位置する粒子の発光点が見える。 照射領域の上下では粒子の存在は検出されません。
フロー超顕微鏡 (図 1b) では、研究対象の粒子がチューブに沿って観察者の目に向かって移動します。
フロー顕微鏡の模式図
米。 1b
それらが照明ゾーンを横切ると、視覚的に、または測光装置を使用して明るいフラッシュとして記録されます。 可動測光ウェッジ７を用いて観察粒子の照明の明るさを調整することにより、所定の限界を超えるサイズの粒子を登録用に選択することが可能である。 レーザー光源と光電子粒子登録システムを備えた最新のフロー超顕微鏡を使用すると、エアロゾル中の粒子濃度が 1 cm3 あたり 1 ～ 109 個の粒子の範囲で測定され、粒子サイズ分布関数も見つかります。