Tabla de Contenidos
Efekt Tyndalla lub zjawisko Tyndalla polega na rozproszeniu światła wywołanym przez ośrodek, w którym znajdują się małe cząsteczki w zawiesinie, tak jak w przypadku mleka, koloidów lub pomieszczenia z dymem lub w którym powietrze się uniosło, kurz. Efekt ten sprawia, że widoczne wiązki światła, które w przeciwnym razie przeszłyby niezauważone.
Typowy przykład efektu Tyndalla występuje, gdy otwieramy okno w ciemnym pokoju i widzimy promień światła, który przecina pomieszczenie aż do podłogi. Również wtedy, gdy nocą, we mgle, włączamy światła samochodu lub gdy widzimy promienie słońca przebijające się przez gałęzie drzew w pochmurnym lesie.
Zjawisko to zostało nazwane na cześć Johna Tyndalla, brytyjskiego fizyka i profesora filozofii przyrody w Royal Institute of London, który intensywnie je badał w XIX wieku. Zjawisko to jest również nazywane rozpraszaniem Rayleigha-Debye’a.
Efekt Tyndalla jest jednym z kilku zjawisk rozpraszania światła , które pozwalają nam wyjaśnić wiele codziennych obserwacji związanych ze sposobem, w jaki światło oddziałuje z różnymi typami cząstek.
Charakterystyka efektu Tyndalla
- Jest to rodzaj rozpraszania sprężystego, co oznacza, że nie wiąże się ze zmianami długości fali, a zatem energia padającego fotonu jest zachowana.
- Jest to spowodowane stosunkowo dużymi cząsteczkami, o rozmiarach porównywalnych z długością fali światła widzialnego lub większych.
- Zależy to zarówno od wielkości cząstek, jak i od masy cząsteczkowej substancji tworzących każdą cząsteczkę.
- Zależy to od polaryzacji padającego światła.
- Występuje w koloidach i zawiesinach, ale nie w rzeczywistych roztworach.
Efekt Tyndalla a rozpraszanie Rayleigha a rozpraszanie MIE
Efekt Tyndalla i rozpraszanie Rayleigha są ze sobą ściśle powiązane. Oba są zjawiskami rozpraszania światła powodowanymi przez cząstki obecne w ośrodku, takim jak gaz lub ciecz. Ponadto w obu przypadkach światło rozproszone nie ulega zmianie długości fali, czyli energia fotonów jest zachowana, są to więc przykłady rozpraszania sprężystego.
Wreszcie, zarówno w efekcie Tyndalla, jak iw rozpraszaniu Rayleigha, obserwuje się, że światło widzialne o najkrótszej długości fali (światło niebieskie i fioletowe) jest rozpraszane z największą intensywnością.
Główną różnicą między obydwoma rodzajami rozpraszania jest wielkość cząstek odpowiedzialnych za rozpraszanie światła. W przypadku efektu Tyndalla obserwuje się to tylko wtedy, gdy cząstki są stosunkowo duże, o średnicach porównywalnych z długością fali padającego światła, czyli około 400-700 nm, a mogą być nawet większe. To mieści się w zakresie wielkości wielu cząstek koloidalnych.
Natomiast w przypadku rozpraszania Rayleigha ma to miejsce w przypadku znacznie mniejszych cząstek o długości od 1/10 do 1/20 długości fali lub nawet mniej. Ten rodzaj rozpraszania występuje w przypadku pojedynczych atomów i cząsteczek , podczas gdy efekt Tyndalla występuje albo w makrocząsteczkach o dużej masie cząsteczkowej, albo w cząstkach składających się z wielu mniejszych cząsteczek.
Z drugiej strony jest dyspersja MIE. Termin ten odnosi się do ram teoretycznych wyjaśniających rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego (tj. światła) przez kuliste cząstki. Model rozpraszania MIE składa się z kompletnego teoretycznego opracowania równań Maxwella w celu wyjaśnienia i scharakteryzowania zjawisk rozpraszania, takich jak rozpraszanie Rayleigha i efekt Tyndalla.
Zastosowania efektu Tyndalla w chemii i innych dziedzinach
Efekt Tyndalla był szeroko stosowany w wielu różnych gałęziach przemysłu. Pomiar zależności między natężeniem padającego światła a światłem, które zdoła przejść przez próbkę, umożliwia określenie zmętnienia próbki. To z kolei jest związane z ilością zawieszonych cząstek i ich wielkością. Z drugiej strony natężenie światła rozpraszanego przez próbkę, pod różnymi kątami obserwacji, umożliwia również eksperymentalne wyznaczenie średniej wielkości cząstek w zawiesinie, co znajduje wiele praktycznych zastosowań w przemyśle.
Odróżnianie koloidów od roztworów rzeczywistych
Najprostszym zastosowaniem efektu Tyndalla jest to, że pozwala nam łatwo rozróżnić, kiedy znajdujemy się w obecności roztworu lub koloidu. Gołym okiem koloid, taki jak zsiadła żelatyna, wydaje się całkowicie przezroczysty i ma jednorodny wygląd, bardzo podobny do roztworu. Oznacza to, że trudno jest odróżnić koloid od roztworu.
Jeśli jednak oświetlimy próbkę koloidu laserem lub po prostu skupioną wiązką światła w ciemnym pomieszczeniu, efekt Tyndalla sprawi, że wiązka światła będzie widoczna w próbce, co nie ma miejsca w rzeczywistym roztworze z tego powodu substancje rozpuszczone w roztworze są cząstkami zbyt małymi, aby generować rozpraszanie przez efekt Tyndalla. Dlatego efekt ten pozwala w szybki i łatwy sposób rozpoznać koloidy.
turbidymetria
Turbimetria, czyli pomiar zmętnienia, jest techniką podobną do absorpcji atomowej i molekularnej. Technika ta jest szeroko stosowana w analizie jakości wody i polega na pomiarze ilości światła przepuszczanego przez próbkę wody lub innego materiału. Korzystając z prawa empirycznego podobnego do prawa absorbancji Lamberta-Beera, można określić ilość zawiesiny w próbce, która jest ważnym parametrem jakości wody.
Zmętnienie definiuje się jako ujemny logarytm zależności między natężeniem światła, które przechodzi przez niezakłóconą próbkę (I) a natężeniem światła padającego (I 0 ) :
To zmętnienie jest następnie powiązane ze stężeniem zawieszonych cząstek za pomocą następującego wyrażenia:
Gdzie k jest stałą proporcjonalności (odpowiednik molowej absorpcji prawa Lamberta-Beera), l jest długością drogi optycznej lub grubością próbki, a C jest stężeniem cząstek w zawiesinie.
W tej technice intensywność światła rozproszonego jest mierzona wzdłuż tego samego kierunku co światło padające za pomocą sprzętu zwanego turbidymetrem.
nefelometria
Nefelometria jest techniką podobną do turbidymetrii, z tą różnicą, że zamiast mierzyć natężenie światła w tym samym kierunku co światło padające, mierzy się je pod kątem 90° do niego. Technika ta opiera się również na dyspersji dużych cząstek koloidu (efekt Tyndalla) i jest szeroko stosowana do ilościowego oznaczania ilości niektórych przeciwciał, takich jak immunoglobuliny M, G i A (IgG, IgM i IgA).
Ponadto nefelometria służy również do:
- Wykonaj pomiary zmętnienia
- Monitoruj kinetykę wiązania białek
- Monitoruj wzrost drobnoustrojów w bulionach hodowlanych
- Wykonaj badanie rozpuszczalności leków
- Sterowanie procesem naftowym
Pomiar funkcji dyspersji radialnej
W przypadku małych cząstek rozpraszanie Tyndalla można modelować za pomocą teorii RGD lub teorii MIE. W takich przypadkach dyspersja nie jest jednolita wzdłuż różnych kątów obserwacji. Sposób, w jaki intensywność zmienia się wraz z kątem, znany jako funkcja dyspersji radialnej, zależy w dużej mierze od związku między długością fali światła a średnicą cząstki. Z tego powodu pomiar radialnej funkcji rozpraszania znając długość fali padającego światła umożliwia eksperymentalne określenie wielkości cząstek w zawiesinie.
Jest to szczególnie przydatne w charakteryzowaniu i kontroli jakości wielu procesów przemysłowych i produktów, takich jak aerozole, farby itp.
Przykłady zjawisk wywołanych efektem Tyndalla
Niebieski kolor oczu jest spowodowany rozpraszaniem Tyndalla, które występuje w tęczówce. Jak wspomniano na początku, cząsteczki zawieszone bardziej rozpraszają światło niebieskie niż inne kolory, dlatego też tęczówka zawsze zwraca więcej światła niebieskiego niż wpada do oka. Efekt ten faktycznie występuje w oczach wszystkich ludzi. Powodem, dla którego niektórzy mają brązową lub prawie czarną tęczówkę, jest warstwa melaniny na tęczówce, która pochłania niebieskie światło rozproszone przez tęczówkę, nadając jej w ten sposób charakterystyczny kolor.
Sztuczka, której używają złodzieje w filmach, aby zobaczyć lasery bezpieczeństwa w bankach i innych obszarach o wysokim poziomie bezpieczeństwa, opiera się na efekcie Tyndalla. Dmuchnięcie talkiem lub innym drobnym proszkiem tworzy w powietrzu niewielką zawiesinę cząstek stałych, które rozpraszają silnie skolimowane światło laserów, czyniąc je widocznymi dla naszych oczu.
Sygnał Batmana , który jest wyświetlany ponad chmurami i przez mgłę Gotham, kiedy komisarz Gordon musi porozmawiać z superbohaterem, jest widoczny tylko dzięki efektowi Tyndalla. Gdyby tego rodzaju rozpraszanie nie istniało, wiązka światła przeszłaby przez chmury i znalazłaby się w nieskończonej przestrzeni, abyśmy nie byli w stanie jej zobaczyć, ponieważ nie byłoby fotonu powracającego, by dotrzeć do naszych oczu i wygenerować obraz nietoperza.
Bibliografia
Barton, R. (2021, 20 listopada). Johna Tyndalla | irlandzki fizyk . Encyklopedia Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall
Britannica, redaktorzy Encyklopedii. (2021, 20 kwietnia). Efekt Tyndalla | Definicja i fakty . Encyklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect
BYJU. (2021, 22 marca). Ogólne rozporządzenie o ochronie danych (RODO) Wytyczne BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemistry/tyndall-effect-dispersion-of-light/
Medina, M. (2018, 4 lutego). Turbidymetria i Nefelometria . Bioanalityk. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html
Narodowa Biblioteka Lekarska. (2022, 18 lutego). Ilościowe badanie nefelometryczne . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm
Nefelometria – zastosowanie, podstawy teoretyczne, oprzyrządowanie . (nd). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/
Rosas García, VM (2005, 5 grudnia). Właściwości optyczne koloidów . Chemik69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm
Valero, M. (nd). TEMAT II: ROZPRZESTRZENIANIE ŚWIATŁA . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf
