Το φαινόμενο Tyndall στη χημεία

Το φαινόμενο Tyndall ή φαινόμενο Tyndall συνίσταται στη διασπορά του φωτός που προκαλείται από ένα μέσο στο οποίο υπάρχουν μικρά σωματίδια σε εναιώρηση, όπως στην περίπτωση του γάλακτος, των κολλοειδών ή ενός δωματίου με καπνό ή στο οποίο ο αέρας έχει ανέβει, σκόνη . Αυτό το φαινόμενο δημιουργεί ορατές δέσμες φωτός που διαφορετικά θα περνούσαν απαρατήρητες.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα του φαινομένου Tyndall εμφανίζεται όταν ανοίγουμε ένα παράθυρο σε ένα σκοτεινό δωμάτιο και μπορούμε να δούμε τη δέσμη φωτός που διασχίζει το δωμάτιο μέχρι να φτάσει στο πάτωμα. Επίσης όταν ανάβουμε τους προβολείς ενός αυτοκινήτου το βράδυ στη μέση της ομίχλης ή όταν βλέπουμε τις ακτίνες του ήλιου μέσα από τα κλαδιά των δέντρων σε ένα συννεφιασμένο δάσος.

Αυτό το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον John Tyndall, Βρετανό φυσικό και καθηγητή φυσικής φιλοσοφίας στο Βασιλικό Ινστιτούτο του Λονδίνου, ο οποίος το μελέτησε εκτενώς κατά τον 19ο αιώνα. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται επίσης σκέδαση Rayleigh-Debye.

Το φαινόμενο Tyndall είναι ένα από τα πολλά φαινόμενα σκέδασης φωτός που μας επιτρέπουν να εξηγήσουμε πολλές από τις παρατηρήσεις που κάνουμε καθημερινά σχετικά με τον τρόπο που το φως αλληλεπιδρά με διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.

Χαρακτηριστικά του φαινομένου Tyndall

• Είναι ένα είδος ελαστικής σκέδασης, που σημαίνει ότι δεν συνεπάγεται αλλαγές στο μήκος κύματος, και ως εκ τούτου η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου διατηρείται.
• Προκαλείται από σχετικά μεγάλα σωματίδια, με μεγέθη συγκρίσιμα με το μήκος κύματος του ορατού φωτός ή μεγαλύτερα.
• Εξαρτάται τόσο από το μέγεθος των σωματιδίων όσο και από το μοριακό βάρος των ουσιών που απαρτίζουν κάθε σωματίδιο.
• Εξαρτάται από την πόλωση του προσπίπτοντος φωτός.
• Εμφανίζεται σε κολλοειδή και εναιωρήματα, αλλά όχι σε πραγματικά διαλύματα.

Το φαινόμενο Tyndall έναντι της σκέδασης Rayleigh έναντι της σκέδασης MIE

Το φαινόμενο Tyndall και η σκέδαση Rayleigh συνδέονται στενά. Και τα δύο είναι φαινόμενα σκέδασης φωτός που προκαλούνται από σωματίδια που υπάρχουν σε ένα μέσο όπως ένα αέριο ή ένα υγρό. Επιπλέον και στις δύο περιπτώσεις το σκεδαζόμενο φως δεν υφίσταται καμία αλλαγή στο μήκος κύματος, δηλαδή διατηρείται η ενέργεια των φωτονίων, άρα αποτελούν παραδείγματα ελαστικής σκέδασης.

Τέλος, τόσο στο φαινόμενο Tyndall όσο και στη σκέδαση Rayleigh, παρατηρείται ότι το ορατό φως με το μικρότερο μήκος κύματος (μπλε και ιώδες φως) είναι αυτό που σκεδάζεται με τη μεγαλύτερη ένταση.

Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο τύπων σκέδασης είναι το μέγεθος των σωματιδίων που είναι υπεύθυνα για τη σκέδαση του φωτός. Στην περίπτωση του φαινομένου Tyndall, αυτό παρατηρείται μόνο όταν τα σωματίδια είναι σχετικά μεγάλα, με διαμέτρους συγκρίσιμες με το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός, δηλαδή περίπου 400-700 nm, και μπορεί ακόμη και να είναι μεγαλύτερα. Αυτό εμπίπτει στο εύρος μεγέθους πολλών κολλοειδών σωματιδίων.

Αντίθετα, στην περίπτωση της σκέδασης Rayleigh, αυτό συμβαίνει με πολύ μικρότερα σωματίδια μεταξύ 1/10 και 1/20 του μήκους κύματος ή ακόμη λιγότερο. Αυτός ο τύπος σκέδασης συμβαίνει με μεμονωμένα άτομα και μόρια , ενώ το φαινόμενο Tyndall συμβαίνει είτε με μακρομόρια μεγάλου μοριακού βάρους είτε με σωματίδια που αποτελούνται από πολλά μικρότερα μόρια.

Από την άλλη πλευρά είναι η διασπορά MIE. Αυτός ο όρος αναφέρεται σε ένα θεωρητικό πλαίσιο για να εξηγήσει τη σκέδαση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (δηλαδή του φωτός) από σφαιρικά σωματίδια. Το μοντέλο σκέδασης MIE αποτελείται από μια πλήρη θεωρητική ανάπτυξη των εξισώσεων του Maxwell για να εξηγήσει και να χαρακτηρίσει φαινόμενα σκέδασης όπως η σκέδαση Rayleigh και το φαινόμενο Tyndall.

Χρήσεις του φαινομένου Tyndall στη χημεία και σε άλλους τομείς

Το φαινόμενο Tyndall έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών. Η μέτρηση της σχέσης μεταξύ της έντασης του προσπίπτοντος φωτός και του φωτός που καταφέρνει να περάσει μέσα από ένα δείγμα καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της θολότητας του δείγματος. Αυτό, με τη σειρά του, σχετίζεται με την ποσότητα των αιωρούμενων σωματιδίων και το μέγεθός τους. Από την άλλη πλευρά, η ένταση του φωτός που διασκορπίζεται από ένα δείγμα, σε διαφορετικές γωνίες παρατήρησης, καθιστά επίσης δυνατό τον πειραματικό προσδιορισμό του μέσου μεγέθους των σωματιδίων σε εναιώρηση, το οποίο βρίσκει πολλές πρακτικές εφαρμογές στη βιομηχανία.

Διάκριση μεταξύ κολλοειδών και πραγματικών διαλυμάτων

Η απλούστερη εφαρμογή του φαινομένου Tyndall είναι ότι μας επιτρέπει να διακρίνουμε εύκολα πότε βρισκόμαστε παρουσία διαλύματος ή κολλοειδούς. Με γυμνό μάτι, ένα κολλοειδές, όπως η πηγμένη ζελατίνη, φαίνεται εντελώς διαφανές και έχει ομοιογενή εμφάνιση πολύ παρόμοια με αυτή ενός διαλύματος. Δηλαδή, είναι δύσκολο να ξεχωρίσουμε το κολλοειδές από ένα διάλυμα.

Ωστόσο, εάν φωτίσουμε ένα δείγμα ενός κολλοειδούς με ένα λέιζερ ή απλώς μια εστιασμένη δέσμη φωτός σε ένα σκοτεινό δωμάτιο, το φαινόμενο Tyndall θα κάνει τη δέσμη φωτός ορατή μέσα στο δείγμα, κάτι που δεν συμβαίνει σε μια πραγματική λύση. οι διαλυμένες ουσίες στο διάλυμα είναι σωματίδια πολύ μικρά για να δημιουργήσουν σκέδαση από το φαινόμενο Tyndall. Επομένως, αυτό το φαινόμενο επιτρέπει την αναγνώριση των κολλοειδών με γρήγορο και εύκολο τρόπο.

θολότητα

Η θολερότητα ή η μέτρηση της θολότητας είναι μια τεχνική παρόμοια με τις τεχνικές ατομικής και μοριακής απορρόφησης. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως στην ανάλυση της ποιότητας του νερού και συνίσταται στη μέτρηση της ποσότητας φωτός που μεταδίδεται μέσω ενός δείγματος νερού ή άλλου υλικού. Χρησιμοποιώντας έναν εμπειρικό νόμο παρόμοιο με τον νόμο της απορρόφησης Lambert-Beer, μπορεί να προσδιοριστεί η ποσότητα των αιωρούμενων στερεών σε ένα δείγμα, η οποία είναι μια σημαντική παράμετρος της ποιότητας του νερού.

Η θολότητα ορίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της σχέσης μεταξύ της έντασης του φωτός που καταφέρνει να περάσει από το αδιατάρακτο δείγμα (I) και της έντασης του προσπίπτοντος φωτός (I 0 ₎ :

Αυτή η θολότητα σχετίζεται στη συνέχεια με τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων μέσω της ακόλουθης έκφρασης:

Όπου k είναι μια σταθερά αναλογικότητας (ισοδύναμη με τη μοριακή απορροφητικότητα του νόμου Lambert-Beer), l είναι το μήκος ή το πάχος της οπτικής διαδρομής του δείγματος και C είναι η συγκέντρωση των σωματιδίων σε εναιώρημα.

Σε αυτή την τεχνική, η ένταση του σκεδαζόμενου φωτός μετριέται κατά την ίδια κατεύθυνση με το προσπίπτον φως χρησιμοποιώντας εξοπλισμό που ονομάζεται θολόμετρο.

νεφελομετρία

Η νεφελομετρία είναι μια τεχνική παρόμοια με τη θολότητα, με τη διαφορά ότι, αντί να μετράται η ένταση του φωτός στην ίδια κατεύθυνση με το προσπίπτον φως, μετριέται σε θέση 90° προς αυτό. Αυτή η τεχνική βασίζεται επίσης στη διασπορά μεγάλων σωματιδίων ενός κολλοειδούς (φαινόμενο Tyndall) και χρησιμοποιείται ευρέως για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ποσότητας ορισμένων αντισωμάτων όπως οι ανοσοσφαιρίνες M, G και A (IgG, IgM και IgA).

Επιπλέον, η νεφελομετρία χρησιμοποιείται επίσης για:

• Εκτελέστε μετρήσεις θολότητας
• Παρακολουθήστε την κινητική δέσμευσης πρωτεϊνών
• Παρακολούθηση της μικροβιακής ανάπτυξης σε ζωμούς καλλιέργειας
• Κάντε έλεγχο διαλυτότητας φαρμάκων
• Έλεγχος διεργασίας πετρελαίου

Μέτρηση της συνάρτησης ακτινικής διασποράς

Στην περίπτωση μικρών σωματιδίων, η σκέδαση Tyndall μπορεί να μοντελοποιηθεί μέσω της θεωρίας RGD ή της θεωρίας MIE. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η διασπορά δεν είναι ομοιόμορφη κατά μήκος των διαφορετικών γωνιών παρατήρησης. Ο τρόπος με τον οποίο η ένταση ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία, γνωστός ως συνάρτηση ακτινικής διασποράς, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σχέση μεταξύ του μήκους κύματος του φωτός και της διαμέτρου του σωματιδίου. Για το λόγο αυτό, η μέτρηση της συνάρτησης ακτινικής σκέδασης γνωρίζοντας το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός καθιστά δυνατό τον πειραματικό προσδιορισμό του μεγέθους των σωματιδίων σε εναιώρηση.

Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τον χαρακτηρισμό και τον ποιοτικό έλεγχο πολλών βιομηχανικών διεργασιών και προϊόντων όπως αεροζόλ, χρώματα κ.λπ.

Παραδείγματα φαινομένων που οφείλονται στο φαινόμενο Tyndall

Το μπλε χρώμα των ματιών οφείλεται στη σκέδαση Tyndall που εμφανίζεται στην ίριδα. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, τα αιωρούμενα σωματίδια διασκορπίζουν το μπλε φως περισσότερο από άλλα χρώματα φωτός, γι’ αυτό η ίριδα επιστρέφει πάντα περισσότερο μπλε φως από ό,τι εισέρχεται στο μάτι. Αυτό το αποτέλεσμα εμφανίζεται στην πραγματικότητα στα μάτια όλων των ανθρώπων. Ο λόγος που μερικοί έχουν καφέ ή σχεδόν μαύρη ίριδα είναι επειδή έχουν ένα στρώμα μελανίνης στην ίριδα που απορροφά το μπλε φως που διαχέεται από την ίριδα, δίνοντάς της έτσι το χαρακτηριστικό της χρώμα.

Το κόλπο που χρησιμοποιούν οι κλέφτες στις ταινίες για να δουν λέιζερ ασφαλείας σε τράπεζες και άλλους χώρους υψηλής ασφάλειας βασίζεται στο φαινόμενο Tyndall. Το φύσημα σε λίγο ταλκ ή κάποια άλλη λεπτή σκόνη δημιουργεί ένα μικρό αερομεταφερόμενο εναιώρημα στερεών σωματιδίων που διασκορπίζει το πολύ ευθυγραμμισμένο φως από τα λέιζερ, καθιστώντας τα ορατά στα μάτια μας.

Το σήμα του Batman που προβάλλεται πάνω από τα σύννεφα και μέσα από την ομίχλη του Gotham όταν ο Επίτροπος Gordon χρειάζεται να μιλήσει στον υπερήρωα είναι ορατό μόνο χάρη στο φαινόμενο Tyndall. Αν δεν υπήρχε αυτό το είδος σκέδασης, η δέσμη του φωτός θα περνούσε μέσα από τα σύννεφα και θα πήγαινε στο άπειρο διάστημα χωρίς να μπορούμε να το δούμε, αφού δεν θα επέστρεφε φωτόνιο για να φτάσει στα μάτια μας και να δημιουργήσει την εικόνα της νυχτερίδας.

βιβλιογραφικές αναφορές

Barton, R. (2021, 20 Νοεμβρίου). John Tyndall | Ιρλανδός φυσικός . Εγκυκλοπαίδεια Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Britannica, The Editors of Encyclopaedia. (2021, 20 Απριλίου). Φαινόμενο Tyndall | Ορισμός & Γεγονότα . Εγκυκλοπαίδεια Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

BYJU’s. (2021, 22 Μαρτίου). Οδηγίες Γενικού Κανονισμού Προστασίας Δεδομένων (GDPR) BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Medina, M. (2018, 4 Φεβρουαρίου). Θολότητα και Νεφελομετρία . Ο Βιοαναλυτής. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

Εθνική Βιβλιοθήκη Ιατρικής. (2022, 18 Φεβρουαρίου). Ποσοτική νεφελομετρία . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Νεφελομετρία – Εφαρμογή, Θεωρητικό Υπόβαθρο, Όργανα . (ν.δ.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, 5 Δεκεμβρίου). Οπτικές ιδιότητες κολλοειδών . Χημικός69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Valero, M. (nd). ΘΕΜΑ ΙΙ: ΔΙΑΣΚΟΡΨΗ ΦΩΤΟΣ . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf