Эффектом тиндаля называется рассеяние луча. Оптические свойства коллоидов

В зависимости от длины волны видимого света и от­носительных размеров частиц дисперсной фазы рассеяние света принимает различный характер.

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 (рис. 8). 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 (рисунок 9).

Окраска.

Зависимость интенсивности рассеянного свет (I ) при выше указанных эффектах выражается формулой Рэлея:
где:I – и интенсивность рассеянного света в направление ┴ падающему лучу; К – const включающая показатель преломления среды и фазы, n – число частиц в единицу объема,  – длина волны падающего света,

V – объем каждой частицы. 

Из формулы видно I , что рассеяние более коротких волн происходит более интенсивно, следовательно, бесцветные золи в проходящем свете кажутся красными, а в рассеянном – голубыми.

6. Коллоидные растворы сравнительно мало устойчивы по сравнению с молекулярными растворами. Под влиянием различных факторов(t 0 , h V , электричества, С , механического воздействия, присутствие примесей), а иногда и просто без видимых причин в коллоидных системах протекают необратимые процессы, приводят к изменениям частиц дисперсной фазы и их выпадению в осадок. Такие процессы, приводящие, к самопроизвольному укреплению частиц называют старением.

Хотя для коллоидных систем мы можем говорить только об относительной устойчивости Н.П. Песков ввел в науку понятия о кинетической и агрегативной устойчивости.

Кинетическая устойчивость - способность дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии под влиянием броуновского движения. Кроме броуновского движения факторами кинетической устойчивости является дисперсность, вязкость дисперсной среды, разность плотности дисперсной среды и фазы и т.д. Из всех факторов наиболее важный – дисперсность так как он оказывает наибольшее влияние на скорость осаждения частиц. Системы в которых скорость осаждения очень мала называются кинетически устойчивыми.

Агрегативная устойчивость – способность частиц дисперсной фазы оказывать сопротивление их слипанию и тем самым удерживать определенную степень дисперсности. Потеря агрегативной устойчивости ведет к слипанию частиц с образованием более крупных агрегатов.

Агрегатная устойчивость объясняется наличием у коллоидных частиц одноименных зарядов, которые мешают их соединению, а так же наличием вокруг ядра сольватных оболочек из молекул растворителя. Установлена прямая зависимость между толщиной сольватных оболочек и агрегативной устойчивостью.

Характерной особенностью коллоидных растворов являются процессы самопроизвольного изменения размеров частиц: размер может уменьшаться в следствии неполного растворения частиц дисперсной фазы  уменьшение удельной поверхности дисперсной фазы  уменьшение свободной энергии – процесс дессолюции ; или укрупняться – процесс перекристаллизации.

7. Коллоидные системы обладают большой поверхностью раздела и следовательно избытком свободной энергии. Поэтому эти системы не устойчивы, они стремятся к понижению свободной энергии, и это происходит в большинстве случаев за счет уменьшения суммарной поверхности коллоидной частиц, т.е. за счет их укрепления. Этот процесс укрепления коллоидных частиц, носит название коагуляции. Процесс осаждения укрупненных частиц твердой фазы называется седиментацией.

Процесс коагуляции состоит из двух стадий: скрытую коагуляцию – процесс коагуляции не обнаруживается визуально и явную коагуляцию – легко обнаруживается визуально.

Наиболее важным фактором коагуляции гидрофобных золей является действие электролитов. Почти все электролиты в достаточном количестве способны вызвать коагуляцию. Что бы вызвать коагуляцию нужно наличие некоторой минимальной концентрации электролита. Минимальная концентрация электролита способная вызвать коагуляцию получила название порог коагуляции . Установлено, что коагулируещее действие оказывает ион, заряд которого по знаку противоположен заряду поверхности коллоидной частицы. Так для (+) заряженных золей коагулирующие действия оказывают анионы, для (-) – катионы. Кроме того, ионы коагуляторы высшей зарядности обычно вызывают коагуляцию при значительно меньших концентраций, чем ионы низших (правило Шульце-Гатди).

Пороги коагуляции одного знака тоже отличаются друг от друга по коагулирующей способности для них составлены так называемые лиотропные ряды:

Катионы: Сs + >Rb + >NH 4 + >K + >Na + >Li + ; анионы: I - >NO 3 - >Fr - >Cl - 

Коагулирующее действие может вызвать и смесь электролитов. При этом возможны три случая:

1) Коагуляционные действие суммируется;

2) Коагуляционные действие, чем по отдельности - антогонизм;

3) Взаимное усиление коагуляционного действия - синергизм.

Коагуляцию может вызвать смешивание в определенном соотношении гидрофобного золя с другими гидрофобным золем гранулы которого имеют противоположный заряд, это явление носит название взаимная коагуляция. Взаимная коагуляция возможна из-за отсутствия отталкивания между противоположно заряженными мицеллами.

8. Как известно, гидрофобные коллоиды неустойчивы в изоэлектрическом состоянии, т. е. электронентральные частицы коагулируют с наибольшей скоростью.

На рис. 10 показана схема снятия заряда с коллоидной частицы при добавлении электролита с двухзарядными анионами. 

Как видим, гранула становит­ся электронейтральной в том случае, если противоионы диффузного слоя, заряженные отрицательно, перемещаются в адсорбционный слой. Чем выше концентрация прибавляемого электролита, тем силь­нее сжимается диффузный слой, тем меньше становится -потенци­ал и, следовательно, тем быстрее начинается процесс коагуляции. При определенной концентрации электролита практически все противоио­ны перейдут в адсорбционный слой, заряд гранулы снизится до нуля и коагуляция пойдет с максимальной скоростью, так как отсутствие диффузного слоя обусловит значительное понижение давления расклинивання.

Коагулирующее действие электролитов не сводится только к сжа­тию диффузного слоя, одновременно протекает избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов электролита, которые имеют заряд, противополож­ный грануле. Причем чем выше заряд иона, тем интенсивнее он адсор­бируется. Накопление ионов в адсорбированном слое сопровождается уменьшением не только -потенциала, но и диффузного слоя.

Из всего вышесказанного не следует делать вывод о том, что основ­ная причина коагуляции заключается в достижении некоторого посто­янного для всех случаев критического -потенциала. Исследова­ния показали, что коагулирующее действие электролитов заключается не столько в непосредственном уменьшении сил отталкивания между коллоидными частицами через понижение -потенциала, сколько в том, что изменение строения двойного электрического слоя и сжатие диффузной его части, влечет за собой понижение расклинивающего действия гидратных (сольватных) оболочек диффуз­ных ионов, разъединяющих коллоидные частицы.

9. В ряде случаев при добавлении к золям электролитов с многоза­рядными ионами, заряд которых противоположен по знаку заряду кол­лоидных частиц, может наблюдаться не коагуляция, а стабилизация золя и перемена знака x-потенциала. Это явление получило наз­вание в коллоидной химии перезарядки золей. Так, при добавлении к золю платины небольших количеств хлорида железа FеС1 3 наблю­дается понижение отрицательного заряда коллоидных частиц платины и их коагуляция. Дальнейшее увеличение концентрации FеС1 3 при­водит к перезарядке коллоидных частиц платины; они получают по­ложительный заряд.

В процессе перезарядки золь платины претерпевает следующие изменения: отрицательно заряженный золь – коагуляции нет; заряд равен нулю – коагуляция; положительно заряженный золь - коагуля­ции нет; заряд равен нулю – коагуляция и т. д. Такое чередование состояний электронейтральности и заряженности частиц называют чередованием зон коагуляции.

Явление перезарядки коллоидных мицелл золя платины под влия­нием FеС1 3 хорошо видно на кривой изменения x-потенциала (рис. 11). 

10. Поскольку коагуляция любого золя совершается не мгновенно, а требует некоторого промежутка времени, возник вопрос о скорости процесса коагуляции. Протекание процесса коагуляции во времени можно наблюдать по изменению свойств коллоидного раство­ра, например, по изменению окраски, по усилению мутности и т.п.

Многочисленные исследования показали, что наиболее надежным методом наблюдения процесса коагуляции во времени является метод подсчета числа частиц за определенный промежуток времени в ультра­микроскопе. Согласно теории коагуляции золей, началом коагуляции считают соприкос­новение двух коллоидных частиц и слипание их в один агрегат. Эти удвоенные частицы, совершая броуновское движение и встречаясь с другими такими же или одиночными частицами, способны образовать тройные, четверные и т. д. частицы – вплоть до начала седимента­ции. Отличие от химических реакций с точки зрения кинетики заключается в том, что в случае обычной химической реакции прореагировавшие молекулы в дальнейшем не участвуют в реакции, а коллоидные частицы, слипаясь при столкновении, продол­жают участвовать в процессе коагуляции, образуя все более сложные комплексы.

В начале коагуляции образование удвоенных, утроенных и т. д. частиц протекает незаметно и более медленно, затем по мере нараста­ния концентрации электролита-коагулятора скорость коагуляции значительно увеличивается. Таким образом, различают медленную и быструю коагуляцию. Эти понятия не следует смешивать с понятиями скрытой и явной коагуляции.

Кривая изменения скорости коагуляции золя в зависимости от кон­центрации электролита (рис. 12) хорошо поясняет эти понятия и их связь с другими величинами, характеризующими ход коагуляции. 

Процессы медленной коагуляции весьма слабо изучены и в настоя­щее время. Предполагают, что медленное протекание процесса коагу­ляции обусловливается тем, что лишь очень небольшое число столкно­вений коллоидных частиц приводит к их слипанию (агрегации). Установ­лено, что слипаются лишь те частицы, у которых по какой-либо при­чине снизился до критического значения x-потенциал, или части­цы, обладающие большой скоростью и при столкновении попадающие в сферу взаимного притяжения.

Процессы быстрой коагуляции изучены значительно лучше. При быстрой коагуляции каждое столкновение коллоидных частиц приво­дит к их слиянию (соединению). Исходя из этих представлений, М. Смолуховский вывел уравнение, характеризующее скорость быстрой коагуляции:

11. Типичные гидрофобные золи легко коагулируют при прибавле­нии к ним малых количеств электролитов. Растворы высокомолекулярных соединений, наоборот, обладают боль­шой устойчивостью против коагулирующего действия электролитов. Многочисленными исследованиями было установлено, что растворы ВМС, будучи прибавлены к гидрофобным золям, сообщают им повышен­ную устойчивость к электролитам. Так, если к золю золота прибавить небольшое количество желатина, гидро­золь золота становится более устойчивым. При прибавлении электро­литов даже в количествах, значительно превосходящих порог коагуля­ции, а также при длительном стоянии этот золь не испытывает практи­чески никаких изменений. Если этот золь выпарить, то при смешении сухого препарата с водой вновь образуется коллоидный раствор. Та­ким образом, типичный гидрофобный золь золота при прибавлении к нему желатина как бы приобрел свойства гидрофильного золя и стал обратимым. Подобное явление получило название защитного действия или просто защиты, а сами вещества, повышающие устойчивость ги­дрофобных золей, получили название защитных. Как правило, защитным действием обладают высокомолекуляр­ные вещества лиофильной природы.

Исследования показали, что степень защитного действия раство­ров ВМС зависит от природы растворенного полимера и от природы защищаемого гидрофобного золя. Количественной мерой защитного действия растворов ВМС являются золотое, рубиновое и железное число. Наибольшее применение получило более простое и легко доступное железное число которое можно определить как минимальное число миллиграммов защищающего высокополимера, способного защитить 10 мл золя гидроокиси ­железа от коагулирующего действия 1 мл 0,005 н. раствора Na 2 SO 4 . (Желатин – 5; крахмал – 20).

Как показали исследования, наибольшее защитное действие отме­чается при одноименных зарядах высокомолекулярного соединения и коллоида, так как в противном случае они взаимно нейтрализуют заряд, и устойчивость большого объединенного комплекса, естественно, снижается.

Механизм защитного действия достаточно хорошо объясняется тео­рией Зигмонди, в основе которой лежит представление об адсорб­ционном взаимодействии между частицами защищаемого и защищаю­щего золей. Более крупная частица гидрофобного золя адсорбирует на своей поверхности более мелкие макромолекулы ВМС с их сольватными оболочками, и в результате этого она приобрета­ет лиофильные свойства. В данном случае коллоид­ные мицеллы необратимого гидрофобного золя предохраняются от не­посредственного соприкосновения друг с другом, а следовательно, и от агрегации как в случае действия на такой золь электролита-коагуля­тора, так и в случае концентрирования золя. На рис. 13а, б, показана схема подобного защитного действия. 

В некоторых случаях прибавление весьма малых количеств высоко­полимера к гидрофобному золю приводит к прямо противоположному результату: устойчивость золя резко понижается. Это явление назы­вается сенсибилизацией или астабилизацией коллоидного раствора. Согласно теории П. Н. Песковаи Л. Д. Ландау астабилизация происходит тогда, когда защищающий высокополимер добавляют к гидрофобному золю в малых количествах, которые ниже предельного порога его защитного действия, т. е. ниже защитного числа. Иными словами, астабилизация наступает, когда частиц высокополимера не хватает на покрытие и за­щиту всей поверхности коллоидных частиц гидрофобного золя, но их достаточно для того, чтобы путем адсорбции отнять у последних ста­билизирующие ионы. На рис. 10в, в дана схема астабилизированной коллоидной частицы. Астабилизация легче всего осуществляется в том случае, если оба вида частиц заряжены разноименно.

12. Часто продукт коагуляции гидрофобных золей – осадок, или коагель – может быть вновь переведен во взвешенное состояние путем обработки его определенным электролитом. Так, скоагулированный золь гидроокиси железа можно вновь вернуть в исходное состояние, если осадок Fе(ОН) 3 обработать водным раствором хлорида железа. Процесс перехода осадка во взвешенное состояние под влиянием внеш­них факторов получил название пептизации.

Вещества, способствующие переходу коагеля в золь, называют пептизаторами. Обычно пептизаторами являются электроли­ты, вернее один из ионов. Однако в ряде случаев пептизирующим действием могут обладать и не­электролиты, например растворитель.

Сам процесс пептизации в основном обусловливается адсорбцион­ными явлениями, в результате которых происходит не только повыше­ние x-потенциала дисперсных частиц, но и увеличение степени их сольватации (гидратации). Сообщение скоагулированным частицам дисперсной фазы золя заряда способствует, с одной стороны, общему разрыхлению осадка, с другой – переводу этих частиц во взвешен­ное состояние благодаря броуновскому движению. При этом про­исходит образование вокруг диспергируемых частиц сольватных оболочек, производящих свое расклинивающее действие.

Как и коагуляция, пептизация гидрофобных золей не затрагивает глубинных масс коллоидного ядра. Эти процессы протекают в тончай­ших слоях на поверхности раздела фаз, поэтому для пептизации требуются незначительные количества элек­тролитов по сравнению с количеством осадка, переводимого в состоя­ние золя (рисунок 14). 

Так, если брать одинаковое количество коагулянта и пептизировать его различным количеством пептизатора, то при малых количествах происходит лишь его адсорбция без растворения осадка (кри­вая ОА, рис. 14), при дальнейшем повышении концентрации пептиза­тора происходит и увеличение растворимости (кривая АВ). Если и даль­ше увеличивать количество пептизатора, растворимость, быстро уве­личиваясь, достигает определенного предела и уже не зависит от коли­чества пептизатора (кривые ВС и СD). При большом избытке пепти­затора может наступить коагуляция (кривая DЕ). Рассмотренная нами кривая OD дает типичную картину адсорбционной пепти­зации.

Помимо адсорбционной, различают еще диссолюционную пептизацию. Этот вид пептизации охватывает собой все случаи, когда процесс пептизации сопряжен с химической реакцией поверхностно расположен­ных молекул коллоидных мицелл.

При постоянном количестве пептизатора и возрастающем количестве коагеля пептизируемость последнего сначала возрастает, достигая максимума, затем уменьшается. Эта закономерность, установленная В. Оствальдом и А. Буцагом, получила название правила осадка.

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.

Эффект Тиндаля , рассеяние Тиндаля (англ. Tyndall effect ) - оптический эффект , рассеивание света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля ), видимого на тёмном фоне.

Эффект Тиндаля назван по имени открывшего его Джона Тиндаля .

См. также

Напишите отзыв о статье "Эффект Тиндаля"

Ссылки

Отрывок, характеризующий Эффект Тиндаля

– Ну хорошо, хорошо, после расскажешь, – краснея сказала княжна Марья.
– Позвольте у нее спросить, – сказал Пьер. – Ты сама видела? – спросил он.
– Как же, отец, сама удостоилась. Сияние такое на лике то, как свет небесный, а из щечки у матушки так и каплет, так и каплет…
– Да ведь это обман, – наивно сказал Пьер, внимательно слушавший странницу.
– Ах, отец, что говоришь! – с ужасом сказала Пелагеюшка, за защитой обращаясь к княжне Марье.
– Это обманывают народ, – повторил он.
– Господи Иисусе Христе! – крестясь сказала странница. – Ох, не говори, отец. Так то один анарал не верил, сказал: «монахи обманывают», да как сказал, так и ослеп. И приснилось ему, что приходит к нему матушка Печерская и говорит: «уверуй мне, я тебя исцелю». Вот и стал проситься: повези да повези меня к ней. Это я тебе истинную правду говорю, сама видела. Привезли его слепого прямо к ней, подошел, упал, говорит: «исцели! отдам тебе, говорит, в чем царь жаловал». Сама видела, отец, звезда в ней так и вделана. Что ж, – прозрел! Грех говорить так. Бог накажет, – поучительно обратилась она к Пьеру.
– Как же звезда то в образе очутилась? – спросил Пьер.
– В генералы и матушку произвели? – сказал князь Aндрей улыбаясь.

• … 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!

Цели занятия:

Образовательная: ознакомить студентов с оптическими свойствами коллоидных растворов.

Развивающая: расширить представления студентов об оптических свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.

Средства наглядности : компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть

Светорассеяние в коллоидных растворах. Эффект Тиндаля-Фарадея

Оптические свойства коллоидных растворов определяются светорассеянием в коллоидных растворах, окраской коллоидных растворов, поглощением света коллоидами, отражением света поверхностью частиц, а также ультрамикроскопические, электрономикроскопические и ренгеноско-пические свойства. Очень часто коллоидные системы окрашены. Окраска меняется в зависимости от степени дисперсности, химической природы частиц и их формы, так как эти факторы влияют на рассеяние и адсорбцию света. Золи металлов, имеющих высокую степень дисперсности, имеют обычно красный или тёмно-жёлтый цвет, а металлы с низкой степенью дисперсности фиолетовый или бледно-голубой цвет. Например, при большей степени дисперсности золи золота приобретают красный цвет, а при низкой степени фиолетовый и бледно-голубой. Окраска золей металлов зависит также и от длины поглощаемой световой волны. Луч прожектора, туман, дым бесцветны. Голубой цвет неба объясняется светорассеиванием солнечных лучей в слоях воздуха.

Если размеры частиц больше длины световой волны то, согласно закону геометрической оптики свет отражается от поверхности частицы. Однако если частицы по своим размерам меньше длины световой волны, тогда среди наблюдаемых оптических явлений имеет место светорассеяние. Поэтому при прохождении света через коллоидно-дисперсные и грубодисперсные системы, происходит рассеивание света частицами дисперсной фазы. Если направить пучок светового луча на дисперсную систему, путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса. Это явление исследовали сначала Фарадей, а затем более подробно Тиндаль. Поэтому данное явление называется эффектом Тиндаля-Фарадея.

Для наблюдения эффекта Тиндаля-Фарадея, дисперсную систему (С) вливают в четырёхгранную стеклянную ёмкость (кювет), ставят перед кюветом тёмный занавес и освещают проекционным фонарём (А) (рис. 8). При этом опыте образуется светящийся конус, причиной которого служит рассеяние света коллоидными частицами и в результате каждая частица кажется точкой, дающей свет. Процесс светорассеяния мельчайшими частицами называется опалесценцией. В истинных водных растворах, в смеси чистых жидкостей свет рассеивается в ничтожно малых количествах и поэтому эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Его можно увидеть только в специальном приборе. Иногда внешне не удаётся отличить истинный раствор от коллоидного, и для установления, является ли данный раствор коллоидом или истинным раствором пользуются эффектом Тиндаля-Фарадея. Интенсивность эффекта Тиндаля-Фарадея повышается с увеличением степени дисперсности золя, и при достижении некоторой степени дисперсности доходит до максимума и затем понижается. В грубодисперсных системах (в силу того, что размеры частиц больше длины световой волны) свет отражается от поверхности частицы под определённым углом и вследствие этого наблюдается отражение света.

В грубодисперсных системах одинаково отражаются световые волны различной длины. Если на систему падает белый свет, то и отражённый свет тоже будет белым.

Процесс рассеивания световых волн коллоидными частицами зависит от длины световой волны. Согласно закону Релея интенсивность светорассеяния в коллоидной системе, обусловленная дифракцией, пропорциональна числу частиц, квадрату объёма частиц и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны падающего света.

Здесь J0 ? интенсивность рассеянного света, J ? интенсивность падающего света, v - численная концентрация, V ? объём частицы, n1 -показатель преломления дисперсной фазы, n2 ? показатель преломления дисперсионной среды, k - константа, зависящая от интенсивности падающего света и от разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, л - длина световой волны, нм.

Значение n1 в данном уравнении зависит от природы вещества. Если n1 и n2 равны между собой, тогда в таких системах эффект Тиндаля-Фарадея не наблюдается. Чем больше разность между коэффициентами преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, тем явно наблюдается эффект Тиндаля-Фарадея.

Уравнение Релея применимо только для таких коллоидных растворов, в которых размер частиц составляет не более 0,1 длины световой волны. Из уравнения видно, что интенсивность рассеяния света обратно пропор-циональна четвёртой степени длины волны и поэтому в процессе рассеивания образуются более короткие волны. Поэтому при боковом освещении коллоидного раствора полихроматичным (белым) светом, коллоидные растворы имеют синеватую окраску.