光学特性の点では、コロイド溶液は低分子量物質の真の溶液や粗く分散した系とは大きく異なります。 コロイド分散系の最も特徴的な光学特性は、乳光、ファラデー・チンダル効果および色です。 これらの現象はすべて、コロイド粒子による光の散乱と吸収によって引き起こされます。

可視光の波長と分散相の粒子の相対的なサイズに応じて、光散乱は異なる性質を帯びます。 粒子のサイズが光の波長を超える場合、粒子からの光は幾何光学の法則に従って反射されます。 この場合、光放射の一部が粒子に浸透し、屈折、内部反射、吸収が起こる可能性があります。

粒子サイズが入射光の半波長より小さい場合、光の回折散乱が観察されます。 光は、途中で遭遇する粒子を迂回（曲がりくねって）しているように見えます。 この場合、部分散乱は全方向に広がる波の形で発生します。 光の散乱の結果、各粒子は新しく、強度の低い波の発生源になります。つまり、各粒子の自己発光が発生しているかのようです。 小さな粒子によって光が散乱される現象を 乳白色。これは主にゾル（液体および固体）の特徴であり、反射光、つまり側面または暗い背景からのみ観察されます。 この現象は、ゾルの多少の濁りの出現と、透過光の色と比較したゾルの色の変化（「オーバーフロー」）として表現されます。 反射光の色は、通常、スペクトルの可視部分のより高い周波数に向かってシフトします。 このため、白色ゾル（塩化銀、ロジン等のゾル）は青みがかった乳白色となる。

ファラデー・チンダル効果。光の回折散乱は、M. V. ロモノーソフによって最初に注目されました。 その後、1857 年に、この現象はファラデーによって金ゾルで観察されました。 液体および気体媒体の回折 (乳光) 現象は、Tyndall (1868) によって最も詳細に研究されました。

一方のグラスに塩化ナトリウム溶液を入れ、もう一方のグラスに卵白ハイドロゾルを入れた場合、どちらの液体も無色透明に見えるため、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6.5)。 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。 光源（テーブルランプ）の上に穴の開いた遮光ケースを置き、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。

ファラデー チンダル コーンの外観は、サイズ 0.1 ～ 0.001 ミクロンのコロイド粒子による光の散乱現象によって説明されます。

スペクトルの可視部分の波長は 0.76 ～ 0.38 ミクロンであるため、各コロイド粒子は入射光を散乱します。 ゾルを通過するビームに対して視線をある角度に向けると、ファラデー チンダル円錐内で見ることができます。 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。

コロイド分散系による光散乱の理論は、1871 年にレイリーによって開発されました。この理論は、乳光中およびファラデー チンダル錐体における散乱光 (I) の強度 (エネルギー量) の外部および内部要因への依存性を確立しています。 数学的には、この依存関係はレイリーの公式と呼ばれる式の形で表されます。

6.1

ここで、I は入射光のビームに垂直な方向の散乱光の強度です。 Kは分散媒と分散相の屈折率に依存する定数です。 n はゾルの単位体積あたりの粒子の数です。 λ は入射光の波長です。 V は各粒子の体積です。

式 (6.1) から、光散乱 (I) は粒子濃度、粒子体積の 2 乗 (または球形粒子の場合は半径の 6 乗) に比例し、波長の 4 乗に反比例することがわかります。入射光。 したがって、短波の散乱は比較的激しく発生します。 したがって、無色のゾルは透過光では赤く見え、拡散光では青く見えます。

コロイド溶液の着色。光の選択的吸収（吸収）と回折の組み合わせの結果、コロイド溶液の 1 つまたは別の色が形成されます。 経験上、ほとんどのコロイド (特に金属) 溶液は、白から完全な黒まで、あらゆる色スペクトルのさまざまな色で明るく着色されています。 したがって、As 2 S 3 ゾルは明るい黄色、Sb 2 S 3 - オレンジ、Fe(OH) 3 - 赤褐色、金 - 明るい赤色などです。

同じゾルでも、透過光で見るか反射光で見るかによって色が異なります。 同じ物質のゾルは、調製方法に応じて、異なる色を獲得する可能性があります-多色現象（多色）。 この場合のゾルの色は、粒子の分散度によって異なります。 したがって、粗く分散した金ゾルは青色、分散度がより高い金ゾルは紫色、高度に分散した金ゾルは明るい赤色になります。 興味深いことに、非分散状態の金属の色はコロイド状態の色と何の共通点もありません。

ゾルの​​色の強度は分子溶液の色の強度よりも数十倍（または数百倍）大きいことに注意してください。 したがって、厚さ 1 cm の層内の As 2 S 3 ゾルの黄色は 10 -3 g/l の質量濃度ではっきりと見え、金ゾルの赤色は 10 -3 g/l の濃度でも顕著です。 5g/l。

多くの貴石や半貴石（ルビー、エメラルド、トパーズ、サファイア）の美しく明るい色は、重金属やその酸化物の不純物がごく微量（最高の分析天秤でも検出できないほど）含まれているためです。 、コロイド状態にあります。 したがって、車、自転車、その他のランプに使用される明るいルビーガラスを人工的に得るには、ガラス質量1000 kgあたり金コロイドを0.1 kg添加するだけで十分です。

一方のガラスには塩化ナトリウム溶液が入っており、もう一方のガラスには卵白ヒドロゾルが入っています; どちらの液体も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dと分散媒oの物質の密度の差と、それらの屈折率n、nの差に依存し、d-、n-nの差が大きいほど、より強くなります。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。

ファラデー - チンダル、そして現象自体はファラデー - チンダル効果です。

小さな粒子による光の散乱現象は、

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。 ただし、フルカラーのスペクトルを含む太陽光などの白色光が混濁した媒体を通過すると、スペクトルの青色部分の光は部分的に散乱され、緑、黄、赤の光の強度は低下します。光の一部はほぼ同じままになります。 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、原子の寸法を数十倍も超える浮遊粒子によって散乱され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粉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（レイリー卿に敬意を表して。 cm。レイリー基準）。 レイリー散乱では、青とシアン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 の青の光は、きれいな空気中では波長 700 nm の赤の光よりも 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。

ジョン・ティンダル、1820-93

アイルランドの物理学者、エンジニア。 カーロウ州レイリン・ブリッジ生まれ。 高校卒業後、地形学者および測量士として軍事組織や鉄道建設に従事しました。 同時にプレストンの機械研究所を卒業しました。 劣悪な労働条件に抗議したため、測地士を解雇された。 彼は独学を続けながら、クイーンウッド大学 (ハンプシャー) で教鞭を執りました。 1848年から1851年にかけて。 マールブルク大学とベルリン大学で講義を受講。 イギリスに戻った彼は教師になり、その後ロンドンの王立研究所の教授になりました。 科学者の主な研究は、磁気、音響、ガスや蒸気による熱放射の吸収、濁った媒体中での光の散乱に捧げられています。 . 彼はアルプスの氷河の構造と動きを研究しました。

ティンダルは科学を普及させるという考えに非常に情熱を持っていました。 彼は定期的に公開講演を行っており、その多くは昼休みに工場の庭で働く労働者向けの講演や、王立研究所の子供向けのクリスマス講演など、全員を対象とした無料の講演会の形で行われていました。 普及者としてのティンダルの名声は、彼の著書『科学の断片』のアメリカ版の全版が大西洋の反対側にも届きました。 科学、1871）は1日で完売しました。 彼は1893年に不条理な死を遂げた。夕食の準備中、科学者の妻（妻は彼より47歳も長生きした）が、台所に保管されていた化学試薬の1つを食卓塩の代わりに誤って使用した。

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。 ただし、フルカラーのスペクトルを含む太陽光などの白色光が混濁した媒体を通過すると、スペクトルの青色部分の光は部分的に散乱され、緑、黄、赤の光の強度は低下します。光の一部はほぼ同じままになります。 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、原子の寸法を数十倍も超える浮遊粒子によって散乱され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粉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。

• … 彼は何が何なのか考え始めた。
• どうやら、光は拷問を恐れているようです。
• だから小麦粉は完璧です
• 波が回折するように！
• あらゆる粉塵、浮遊物、濁り
• 光線は崩壊する可能性があります...
• 「ティンダルへのオード」より（E.ニッケルスパーグ)

要素「空気」

リンゴがニュートンに落ち、中国人は蓮の花のしずくに感嘆し、おそらく森の中を歩いていたジョン・ティンダルは円錐形の光に気づきました。 おとぎ話？ 多分。 しかし、私たちの世界で最も美しい効果の 1 つであるチンダル効果と名付けられたのは、最後の英雄に敬意を表してです。 なぜ美しいのか - 自分で判断してください!

これは、光ビームが光学的に不均質な媒体を通過するときに発生する光学効果です。 通常、暗い背景に対して見える明るい円錐として観察されます。 光学的に不均質な媒体とは何ですか? この場合、エアロゾルを形成するコロイド粒子によって形成される塵または煙です。 粒子のサイズは問題ではありません。海塩の粒子であれ、火山塵の粒子であれ、大気中のナノ粒子でさえ、このような美しい光景を引き起こす可能性があるからです。 光を研究しているティンダルは、当然のことながら光ファイバー通信の創始者です。光ファイバー通信はすでに私たちの日常生活に不可欠なものとなっており、現代世界ではナノレベルまで改良されています。

要素「水」

図に示されている解決策を見てください。 外見上は、無色透明でほぼ同じに見えます。 ただし、「しかし」が 1 つあります。レーザー ビームは右側のガラスを妨げられずに通過しますが、左側のガラスでは強く散乱され、赤い痕跡が残ります。 秘密は何ですか？

右側のグラスには普通の水が入っていますが、左側のグラスには銀のコロイド溶液があります。 通常の溶液、または化学者が言うところの「真の」溶液とは異なり、コロイド溶液には溶解した物質の分子やイオンは含まれませんが、その最小粒子が含まれます。 ただし、最も小さなナノ粒子でも光を散乱する可能性があります。 これがチンダル効果です。

溶液が「コロイド」と呼ばれるには、粒子サイズはどれくらいでなければなりませんか? さまざまな教科書では、サイズが 1 nm ～ 100 nm、1 nm ～ 200 nm、1 nm ～ 1 ミクロンの範囲の粒子がコロイドであるとみなされることが示唆されています。 ただし、サイズの分類は、他のものと同様に、非常に条件付きです。 液体培地におけるチンダル効果は、たとえばワインの品質を評価するために使用されます。 ワインの透明度を評価するには、ワインの入ったグラスを少し傾けて光源と目の間に置きますが、一直線上には置かれません。 透明度は、ワインを通る光線の通過によってではなく、たとえナノメートルサイズであっても浮遊粒子からの光の反射によって決まります。 （チンダル効果）。 透明度の程度を特徴付けるために、「明るいオパール」、「乳白色」、「くすんだ、かなりの乳白色」などの定義を含む言語スケールが使用されます。 コロイド粒子のサイズ、形状、濃度を決定するための多くの光学的方法は、チンダル効果に基づいています。

「ナノコロイド粒子は非常に小さいため光学顕微鏡では観察できませんが、白金銀コロイド溶液中のナノコロイド粒子の含有量は、コロイド溶液にレーザー光線を照射し、チンダル効果を観察することによって証明されています。 光の散乱と光線の明るい輝き」ノアダダ化粧品（日本）の注釈より。

要素「地球」

「乳光」の概念もジョン・ティンダルに直接関係しています。 オパールは宝石であり、その言葉の由来となった光の遊びから来ています。 乳白色、この結晶のみに特有の特別な種類の放射線散乱を示します。

プリニウスはオパールについて次のように説明しています。 「オパールの火はカーバンクルの火に似ていますが、より柔らかく穏やかですが、アメジストのように紫色に、エメラルドのように海の緑に輝きます。 すべてが融合して、想像を絶するほどの輝きを放ちます。 この石の想像を絶する魅力と美しさから、多くの人から「パイデロス」、つまり「若者の愛」という名前が付けられました。 エメラルドに次ぐ大きさです。」

オパールには直径 150 ～ 450 ナノメートルの球状シリカ粒子が含まれており、その粒子は同心円状またはランダムに配置された直径 50 ～ 100 ナノメートルの小さな小球で構成されています。 それらは、かなり秩序だったパッキング（オパールの擬似結晶構造）を形成します。 球体は 3 次元の回折格子として機能し、特徴的な光の散乱、つまり乳光を引き起こします。 したがって、オパールは天然のフォトニック結晶です。 オパールクラスター超格子は、人工フォトニック結晶作成のプロトタイプとして機能しました。 たとえば、1996 年に物理工科大学 (サンクトペテルブルク) とモスクワ州立大学で実施されたフォトニック結晶の合成に関する最初の研究の 1 つでは、顕微鏡に基づいて光学的に完全な合成オパールを製造する技術が作成されました。二酸化ケイ素の球体。 この技術により、合成オパールの球の直径、空隙率、屈折率などのパラメーターを変更することが可能になりました。

オパールでは、二酸化ケイ素の球が密に詰まって形成された格子には、結晶の総体積の最大 25% を占める空隙が含まれており、異なる種類の物質で満たされている可能性があります。 空隙を水で埋めるとオパールの光学特性が変化することは、古代世界の科学者にはすでに知られていました。非常に珍しい種類のオパールです。 ハイドロファン (ハイドロファン)、古ロシア語で - 水の光、水に浸すと透明になります。 最新の開発では、フォトニック結晶のこの特性を利用して、光スイッチ、つまり光トランジスタが作成されます。

エレメント「火」

講師としての稀有な才能と実験者としての卓越したスキルを備えたティンダルは、知識の「SPARK」を大衆にもたらしました。 ティンダルは物理学に関する人気講義で一時代を築き、現代の人気講義の​​父とみなされるのは当然かもしれません。 彼の講義には初めて、素晴らしく多様な実験が伴われ、現在では物理学の基礎コースに組み込まれています。 その後の物理学の普及者は皆、ティンダルの足跡をたどりました。 「全体像を見るためには、その創造者はそこから距離を置く必要があり、どの時代の一般的な科学的成果を評価するにも、その後の時代の視点を取ることが賢明である」と彼は書いている。 」 光と生命をテーマに書いた詩で終わりたいと思います。

• ナイフの刃の上を歩く
• 針の先に立つ
• マクロの力が重要ではない場合
• 波の力に比べて。
• 重力が弱いところ
• 負担が軽い場合は、
• 可変フィールドのみ
• 彼らはあなたをミサイルのように発射します。
• 干渉光
• 彼らはオーロラと一緒に燃えます。
• そして春の小川のように
• 請求は迅速かつ迅速です。
• もしかしたらこの不思議な世界
• 私の目には見えませんが、
• しかし、彼はすべての物質の基礎であり、
• つまり、私はそこに住んでいるということです！