Институт по хидродинамика "Лаврентиев". Патенти – Институт по хидродинамика на името на M.A. Lavrentiev SB RAS
В мътна среда виолетовата и синята светлина се разсейват най-много, докато оранжевата и червената светлина се разсейват най-малко.
Ефектът на Тиндал е открит в резултат на изследване на учен за взаимодействието на светлинните лъчи с различни среди. Той установи, че когато светлинните лъчи преминават през среда, съдържаща суспензия от мънички прахови частици- например запрашен или задимен въздух, колоидни разтвори, мътно стъкло - ефектът на разсейване намалява при промяна на спектралния цвят на лъча от виолетово-синя към жълто-червена част на спектъра. Ако обаче бялата светлина, като например слънчевата, която съдържа целия цветен спектър, премине през мътна среда, тогава светлината в синята част на спектъра ще бъде частично разпръсната, докато интензитетът на зелено-жълто-червеното част от светлината ще остане почти същата. Следователно, ако погледнем разсеяната светлина, след като е преминала през мътна среда далеч от източника на светлина, тя ще изглежда по-синя от оригиналната светлина. Ако погледнем източник на светлина по линията на разсейване, тоест през мътна среда, източникът ще ни изглежда по-червен, отколкото е в действителност. Ето защо мъглата от горски пожари например ни изглежда синкаво-виолетова.
Ефектът на Тиндал възниква при разсейване върху суспендирани частици, чиито размери надвишават размерите на атомите десетки пъти. Когато частиците на суспензията се увеличат до размери от порядъка на 1/20 от дължината на светлинната вълна (от приблизително 25 nm и повече), разсейването става полихромен,това означава, че светлината започва да се разпръсква равномерно по цялата видима гама от цветове от виолетово до червено. В резултат на това ефектът на Тиндал изчезва. Ето защо гъстата мъгла или купестите облаци ни изглеждат бели - те се състоят от гъста суспензия от воден прах с диаметър на частиците от микрони до милиметри, което е доста над прага на разсейване на Тиндал.
Може би си мислите, че небето ни изглежда синьо поради ефекта на Тиндал, но това не е така. При липса на облаци или дим небето става синьо поради разсейването на „дневната светлина“ от молекулите на въздуха. Този вид разсейване се нарича Релеево разсейване(в чест на сър Рейли; см. Критерий на Релей). При разсейването на Rayleigh синята и циан светлината се разпръскват дори повече, отколкото при ефекта на Тиндал: например синята светлина с дължина на вълната 400 nm се разсейва в чист въздух девет пъти по-силно от червената светлина с дължина на вълната 700 nm. Затова небето ни изглежда синьо - слънчева светлинасе разсейва в целия спектрален диапазон, но в синята част на спектъра е почти с порядък по-силен, отколкото в червената. Ултравиолетовите лъчи, които причиняват слънчев тен, се разпръскват още по-силно. Ето защо тенът се разпределя доста равномерно по тялото, като покрива дори онези участъци от кожата, които не са изложени на пряка слънчева светлина.
Джон Тиндал, 1820-93
Ирландски физик и инженер. Роден в Лийлин Бридж, графство Карлоу. След завършване на гимназия работи като топограф и геодезист във военни организации и в строителството. железници. По същото време завършва Механичния институт в Престън. Уволнен от военната геодезическа служба заради протест срещу лоши условиятруд. Преподава в Queenwood College (Хемпшир), като същевременно продължава самообучението си. През 1848-51г. посещава лекции в университетите в Марбург и Берлин. Връщайки се в Англия, той става учител, а след това и професор в Кралския институт в Лондон. Основните трудове на учения са посветени на магнетизма, акустиката, абсорбцията на топлинно излъчване от газове и пари, разсейването на светлината в мътна среда . Той изучава структурата и движението на ледниците в Алпите.
Тиндал беше изключително запален по идеята за популяризиране на науката. Той редовно изнасяше публични лекции, често под формата на безплатни лекции за всички: за работниците във фабричните дворове в обедни почивки, Коледни лекции за деца в Кралския институт. Славата на Тиндал като популяризатор достига и от другата страна на Атлантика - целият тираж на американското издание на книгата му "Фрагменти от науката" Наука, 1871) беше разпродаден за един ден. Той почина през 1893 г. в абсурдна смърт: докато приготвяше вечеря, съпругата на учения (която го надживя с 47 години) погрешно използва готварска соледин от химическите реагенти, съхранявани в кухнята.
Една чаша с разтвор на натриев хлорид, а другата с хидрозол от яйчен белтък, трудно е да се определи кой е колоиден разтвор и кой е истинският, тъй като и двете течности са безцветни и прозрачни на вид (фиг. 85). Въпреки това, тези решения могат лесно да бъдат разграничени чрез извършване на следния експеримент. Да сложим светлоустойчив корпус с отвор (настолната лампа), пред който да поставим леща отпред, за да се получи по-тесен и по-ярък сноп светлина. Ако поставим двете стъкла на пътя на светлинния лъч, в стъклото със зол ще видим светлинен път (конус), докато в стъклото с натриев хлорид лъчът е почти невидим. След учените, които първи наблюдават това явление, светещият конус в течността е наречен конус (или ефект) на Фарадей-Тиндал. Този ефект е характерен за всички колоидни разтвори.
По този начин ефектът на Фарадей-Тиндал е явление, идентично на опалесценцията и се различава от последното само по вида на колоидното състояние, т.е. микрохетерогенността на системата.
В разтворите на VMC ефектът на Фарадей-Тиндал не се открива ясно поради факта, че индексът на пречупване на солватираните частици на разтвореното вещество n се различава малко от индекса на пречупване на разтворителя Po, следователно разликата n - o-O и интензитетът на разсейването на светлината от VMC разтвори е незначително (виж гл. VII, 91). По същата причина макромолекулите не могат да бъдат открити под ултрамикроскоп.
Всички оптични свойства на силно диспергирани системи, от които ще разгледаме тук цвета, опалесценцията, ефекта на Фарадей-Тиндал и явленията, наблюдавани чрез ултрамикроскоп, са интересни преди всичко, защото, както е илюстрирано много схематично на фиг. 2, тяхната интензивност е максимална в колоидната област на дисперсия. Тази особеност се дължи на факта, че дължината на светлинната вълна на видимата част от спектъра (760-400 mmk) надвишава размера на частиците на високо дисперсните системи (200-2 mmk). Интензивността на изразяване на тези свойства зависи от разликата в плътностите на веществата от дисперсната фаза d и дисперсионната среда o и от разликата в техните индекси на пречупване n и n, Колкото по-големи са разликите d- и n-n, толкова повече рязко са изразени оптичните свойства. Това обяснява факта, че оптичните свойства обикновено са несравнимо по-изразени в золите (особено металните), отколкото в разтворите на високомолекулни съединения. Поради тази причина нашето по-нататъшно описание на оптичните свойства ще се отнася почти изключително до золове.
ОПАЛЕСЦЕНЦИЯ И ЕФЕКТЪТ НА ФАРАДЕЙ-ТИНДАЛ
Установено е, че когато лъч светлина преминава през чиста вода и други чисти течности и през чист (т.е. лишен от капчици и кристали вода и прах) въздух и разтвори с ниско молекулно тегло на разтвореното вещество, ефектът на Фарадей-Тиндал не се наблюдава, както не се наблюдава при тях и опалесценция. Такива среди се наричат оптически празни. Следователно, ефектът на Фарадей-Тиндал е важно средство за откриване на колоидното състояние, т.е. микрохетерогенността на системата.
Феноменът на разсейване на светлината от малки частици се крие в
По оптични свойства колоидните разтвори се различават значително от истинските разтвори на нискомолекулни вещества, както и от грубо дисперсните системи. Най-характерните оптични свойства на колоидните дисперсни системи са опалесценция, ефект на Фарадей-Тиндал и цвят. Всички тези явления са причинени от разсейването и поглъщането на светлината от колоидните частици.
В зависимост от дължината на вълната на видимата светлина и относителните размери на частиците на дисперсната фаза, разсейването на светлината отнема различен характер. Ако размерът на частиците надвишава дължината на вълната на светлината, тогава светлината от тях се отразява според законите геометрична оптика. В този случай част от светлинното лъчение може да проникне в частиците, да изпита пречупване, вътрешно отражение и поглъщане.
Ако размерът на частиците е по-малък от половината дължина на вълната на падащата светлина, се наблюдава дифракционно разсейване на светлината; светлината сякаш заобикаля (огъва) частиците, срещани по пътя. В този случай се получава частично разсейване под формата на вълни, разминаващи се във всички посоки. В резултат на разсейването на светлината всяка частица е източник на нови, по-малко интензивни вълни, т.е. възниква сякаш самолуминесценция на всяка частица. Явлението разсейване на светлината от малки частици се нарича опалесценция.Характерно е предимно за золите (течни и твърди) и се наблюдава само в отразена светлина, т.е. отстрани или на тъмен фон. Това явление се изразява в появата на известно помътняване на зола и в промяна („преливане”) на цвета му спрямо цвета в пропусната светлина. Цветът в отразената светлина като правило се измества към по-висока честота на видимата част от спектъра. Така белите золове (зол на сребърен хлорид, колофон и др.) стават опалесциращи със синкав цвят.
Ефект на Фарадей-Тиндал.Дифракционното разсейване на светлината е забелязано за първи път от М. В. Ломоносов. По-късно, през 1857 г., това явление е наблюдавано от Фарадей в златни золове. Явлението дифракция (опалесценция) за течни и газообразни среди е изследвано най-подробно от Тиндал (1868).
Ако вземете една чаша с разтвор на натриев хлорид, а другата с хидрозол яйчен белтък, трудно е да се определи къде колоиден разтвор, и къде е вярно, тъй като на външен вид и двете течности са безцветни и прозрачни (фиг. 6.5). Въпреки това, тези решения могат лесно да бъдат разграничени чрез извършване на следния експеримент. Нека поставим светлоустойчив корпус с дупка на източника на светлина (настолна лампа), пред който ще поставим леща отпред, за да получим по-тесен и по-ярък сноп светлина. Ако поставим двете стъкла на пътя на светлинния лъч, в стъклото със зол ще видим светлинен път (конус), докато в стъклото с натриев хлорид лъчът е почти невидим. След учените, които първи наблюдават това явление, светещият конус в течността е наречен конус (или ефект) на Фарадей-Тиндал. Този ефект е характерен за всички колоидни разтвори.
Появата на конуса на Фарадей-Тиндал се обяснява с явлението разсейване на светлината от колоидни частици с размери 0,1-0,001 микрона.
Дължината на вълната на видимата част от спектъра е 0,76-0,38 микрона, така че всяка колоидна частица разпръсква падащата върху нея светлина. Вижда се в конуса на Фарадей-Тиндал, когато зрителната линия е насочена под ъгъл към лъча, преминаващ през золата. Ефектът на Фарадей-Тиндал е явление, идентично на опалесценцията и се различава от последното само по вида на колоидното състояние, т.е. микрохетерогенността на системата.
Теорията за разсейване на светлината от колоидни дисперсни системи е разработена от Rayleigh през 1871 г. Тя установява зависимостта на интензитета (количеството енергия) на разсеяната светлина (I) по време на опалесценция и в конуса на Фарадей-Тиндал от външната и вътрешни фактори. Математически тази зависимост се изразява под формата на формула, наречена формула на Rayleigh:
6.1 |
където I е интензитетът на разсеяната светлина в посока, перпендикулярна на лъча падаща светлина; K е константа, зависеща от показателите на пречупване на дисперсната среда и дисперсната фаза; n е броят на частиците в единица обем зол; λ е дължината на вълната на падащата светлина; V е обемът на всяка частица.
От формула (6.1) следва, че разсейването на светлината (I) е пропорционално на концентрацията на частиците, квадрата на обема на частиците (или за сферичните частици - шестата степен на техния радиус) и обратно пропорционално на четвъртата степен на дължината на вълната на падащата светлина. По този начин разсейването на късите вълни става сравнително по-интензивно. Следователно безцветните золове изглеждат червеникави при пропускаща светлина и сини при дифузна светлина.
Оцветяване на колоидни разтвори.В резултат на селективно поглъщане на светлина (абсорбция) в комбинация с дифракция се образува един или друг цвят на колоидния разтвор. Опитът показва, че повечето колоидни (особено метални) разтвори са ярко оцветени в голямо разнообразие от цветове, вариращи от бяло до напълно черно, с всички нюанси на цветовия спектър. Така As 2 S 3 золите са ярко жълти, Sb 2 S 3 - оранжеви, Fe (OH) 3 - червеникавокафяви, златни - ярко червени и т.н.
Един и същ зол има различен цвят в зависимост от това дали се гледа в пропусната или отразена светлина. Солите на едно и също вещество, в зависимост от метода на получаване, могат да придобият различни цветове - явлението полихромия (многоцветност). Оцветяване на золове в в такъв случайзависи от степента на дисперсия на частиците. Така едродисперсните златни золове са сини на цвят, тези с по-голяма степен на дисперсност са виолетови, а високодисперсните са яркочервени. Интересно е да се отбележи, че цветът на метала в недисперсно състояние няма нищо общо с цвета му в колоидно състояние.
Трябва да се отбележи, че интензитетът на цвета на золите е десетки (или дори стотици) пъти по-голям от този на молекулните разтвори. Така жълтият цвят на зола As 2 S 3 в слой с дебелина 1 cm е ясно видим при масова концентрация 10 -3 g/l, а червеният цвят на златния зол се забелязва дори при концентрация 10 - 5 g/l.
Красиви и ярки цветове на много ценни и полускъпоценни камъни(рубини, изумруди, топази, сапфири) се дължи на съдържанието на незначителни (неоткриваеми дори на най-добрите аналитични везни) количества примеси. тежки металии техните оксиди в колоидно състояние. По този начин, за изкуствено получаване на ярко рубинено стъкло, използвано за автомобилни, велосипедни и други лампи, е достатъчно да добавите само 0,1 kg колоидно злато на 1000 kg стъклена маса.
Герасименко Евгения
Тази презентация е посветена на описанието на ефекта на Тиндал и неговото практическо приложение.
Изтегли:
Преглед:
За да използвате визуализации на презентации, създайте акаунт в Google и влезте в него: https://accounts.google.com
Надписи на слайдове:
Изпълнено от: ученичка от 11 „Б“ клас Евгения Герасименко Проверено от: учител по химия Т. И. Юркина 2012/2013 г академична годинаЕфект на Тиндал
Джон Тиндал, ирландски физик и инженер. Роден в Лийлин Бридж, графство Карлоу. След завършване на гимназия работи като топограф и геодезист във военни организации и в строителството на ж.п. По същото време завършва Механичния институт в Престън. Уволнен от военногеодезическата служба заради протест срещу лошите условия на труд. Преподава в Queenwood College (Хемпшир), като същевременно продължава самообучението си. През 1848–51г посещава лекции в университетите в Марбург и Берлин. Връщайки се в Англия, той става учител, а след това и професор в Кралския институт в Лондон. Основните трудове на учения са посветени на магнетизма, акустиката, абсорбцията на топлинно излъчване от газове и пари и разсейването на светлината в мътна среда. Той изучава структурата и движението на ледниците в Алпите. Тиндал беше изключително запален по идеята за популяризиране на науката. Той редовно изнася публични лекции, често под формата на безплатни лекции за всички: за работници във фабричните дворове по време на обедните почивки, коледни лекции за деца в Кралския институт. Славата на Тиндал като популяризатор достига и от другата страна на Атлантика - целият тираж на американското издание на книгата му "Фрагменти от науката" е разпродаден за един ден. Той умира от абсурдна смърт през 1893 г.: докато приготвяше вечеря, съпругата на учения (която го надживя с 47 години) погрешка използва един от химическите реагенти, съхранявани в кухнята, вместо готварска сол.
Описание на ефекта на Тиндал - светенето на оптически нехомогенна среда поради разсейването на светлината, преминаваща през нея. Причинява се от дифракцията на светлината върху отделни частици или елементи от структурна разнородност на средата, чийто размер е много по-малък от дължината на вълната на разсеяната светлина. Характерно за колоидни системи(например хидрозоли, тютюнев дим) с ниска концентрация на частици от дисперсна фаза с коефициент на пречупване, различен от индекса на пречупване на дисперсионната среда. Обикновено се наблюдава като светъл конус на тъмен фон (конус на Тиндал), когато фокусиран светлинен лъч преминава отстрани през стъклена кювета с плоскопаралелни стени, пълна с колоиден разтвор. Късовълновият компонент на бялата (немонохроматична) светлина се разсейва от колоидни частици по-силно от компонента с дълги вълни, поради което образуваният от него конус на Тиндал в неабсорбираща пепел има син оттенък. Ефектът на Тиндал е по същество същият като опалесценцията. Но традиционно първият термин се отнася до интензивното разсейване на светлината в ограничено пространство по пътя на лъча, а вторият - до слабото разсейване на светлината от целия обем на наблюдавания обект.
Ефектът на Тиндал се възприема с невъоръжено око като равномерно сияние на част от обема на система за разсейване на светлина. Светлината идва от отделни точки - дифракционни петна, ясно видими под оптичен микроскоппри достатъчно силно осветяване на разредения зол. Разпръсната интензивност в тази посокасветлина (при постоянни параметри на падащата светлина) зависи от броя на разсейващите се частици и техния размер.
Времеви характеристики Време на започване (log до -12 до -6); Живот (log tc от -12 до 15); Време на разграждане (log td от -12 до -6); Време на оптимално развитие (log tk от -9 до -7). Техническа реализация на ефекта Ефектът може лесно да се наблюдава при преминаване на хелиево-неонов лазерен лъч през колоиден разтвор (просто неоцветено желе от нишесте). Диаграма
Приложение на ефекта Методи, базирани на ефекта на Тиндал за откриване, определяне на размера и концентрацията на колоидни частици (ултрамикроскопия, нефелометрия са широко използвани в научно изследванеи промишлена практика).
Пример. Ултрамикроскоп. Ултрамикроскопът е оптичен инструмент за откриване на малки (колоидни) частици, чиито размери са по-малки от границата на разделителна способност на конвенционалните светлинни микроскопи. Способността да се откриват такива частици с помощта на ултрамикроскоп се дължи на дифракцията на светлината от ефекта на Тиндал. При силно странично осветление всяка частица в ултрамикроскопа се маркира от наблюдателя като ярка точка (светещо дифракционно петно) на тъмен фон. Поради дифракцията на най-малките частици има много малко светлина, следователно в ултрамикроскопа, като правило, силни източнициСвета. В зависимост от интензитета на осветяване, дължината на светлинната вълна, разликата в показателите на пречупване на частицата и средата, могат да бъдат открити частици с размери от 20-50 nm до 1-5 микрона. Невъзможно е да се определи истинският размер, форма и структура на частиците от дифракционните петна. Ултрамикроскопът не предоставя оптични изображения на изследваните обекти. Въпреки това, използвайки ултрамикроскоп, е възможно да се установи наличието и числената концентрация на частици, да се изследва тяхното движение и също да се изчисли средният размерчастици, ако са известни тяхната тегловна концентрация и плътност. В схемата на прорезен ултрамикроскоп (фиг. 1а) изследваната система е неподвижна.
В схемата на прорезен ултрамикроскоп изследваната система е неподвижна. Схематична диаграмапрорезен микроскоп. Кювета 5 с обекта, който се изследва, се осветява от източник на светлина 1 (2 - кондензатор, 4 - осветителна леща) през тесен правоъгълен прорез 3, чието изображение се проектира в зоната за наблюдение. През окуляра на наблюдателния микроскоп 6 се виждат светещи точки от частици, разположени в равнината на изображението на прореза. Над и под осветената зона не се открива наличие на частици.
В поточен ултрамикроскоп изследваните частици се движат през тръбата към окото на наблюдателя. Схематична диаграма на поточен микроскоп Пресичайки зоната на осветяване, те се записват като ярки светкавици визуално или с помощта на фотометрично устройство. Чрез регулиране на яркостта на осветяване на наблюдаваните частици с подвижен фотометричен клин 7 е възможно да се изберат за регистриране частици, чийто размер надвишава определена граница. С помощта на модерен поточен ултрамикроскоп с лазерен източник на светлина и оптико-електронна система за детекция на частици се определя концентрацията на частици в аерозоли в диапазона от 1 до 109 частици на 1 cm3, като се намират и функции на разпределение на частиците по размер. Ултрамикроскопите се използват при изследване на дисперсни системи за контрол на чистотата атмосферен въздух. Вода, степен на замърсяване на оптично прозрачни среди с чужди включвания.
Използвана литература 1. Физика. Голям енциклопедичен речник.- М.: Голяма руска енциклопедия, 1999.- С.90, 460. 2. Нов политехнически речник.- М.: Голяма руска енциклопедия, 2000.- С.20, 231, 460. Ключови думи оптично сияние нехомогенна двуфазна среда светлоразсейваща дисперсна среда