Для чего используется эффект тиндаля
Для чего используется эффект тиндаля
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ТИНДАЛЯ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Каждый из нас в своей повседневной жизни не раз сталкивался и сталкивается с обыденными с одной стороны, но вместе тем удивительными с другой стороны явлениями, совершенно не задумываясь при этом, с какими замечательными физическими явлениями имеет дело.
В будущем я хотела бы связать свою жизнь с такой наукой как физика, поэтому уже сейчас интересуюсь любыми вопросами по данному предмету и выбрала в качестве темы своего исследования один из оптических эффектов.
На сегодняшний день существуют работы, посвященные оптическим эффектам, в частности, эффекту Тиндаля. Однако я решила изучить эту тему путем проведения эксперимента на собственном опыте.
Цель проекта:
обнаружить коллоиды с помощью эффекта Тиндаля;
исследовать влияния факторов, определяющих прохождение светового пучка через коллоидный раствор.
Задачи исследования:
исследование влияния длины волны на реализацию эффекта Тиндаля;
исследование влияния размера частиц на реализацию эффекта Тиндаля;
исследование влияния концентрации частиц на реализацию эффекта Тиндаля;
поиск дополнительной информации по вопросу об эффекте Тиндаля;
обобщение полученных знаний.
Эффект Тиндаля
Преломление света, отражение, дисперсия, интерференция, дифракция и многое другое :оптические эффекты окружают нас повсюду. Один из них — эффект Тиндаля, открытый английским физиком Джоном Тиндалем.
Джон Тиндаль — геодезист, сотрудник Фарадея, директор Королевского института в Лондоне, гляциолог и оптик, акустик и специалист по магнетизму. Его фамилия дала название кратеру на Луне, леднику в Чили и интересному оптическому эффекту.
Эффект Тиндаля – это свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Данное явление обусловлено дифракцией света на отдельных частицах или элементах неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света.
Что же такое неоднородная среда? Неоднородная среда – среда, характеризующаяся непостоянством показателя преломления. Т.е. n≠const.
Какую характерную особенность данного эффекта можно выделить? Эффект Тиндаля характерен для коллоидных систем (систем, в которых одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом. Например, гидрозолей, табачного дыма, тумана, геля и т.д.) с низкой концентрацией частиц, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления среды. Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании фокусированного светового пучка сбоку через стеклянный сосуд с плоскопараллельными стенками, заполненный коллоидным раствором. (Коллоидные растворы — это высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, причем линейные размеры частиц последней лежат в пределах от 1 до 100 нм).
Экспериментальная работа
Используя простую методику, мы увидим, как с помощью эффекта Тиндаля можно обнаружить коллоидные системы в жидкостях.
Материалы: 2 стеклянных контейнера с крышками, источник направленного света (например, лазерная указка), поваренная соль, раствор ПАВ (например, жидкое моющее средство), 1 куриное яйцо, разбавленный раствор соляной кислоты.
Проведение эксперимента:
Наливаем воду в стеклянный контейнер, полностью растворяем в нем немного поваренной соли.
Освещаем сбоку стакан с полученным раствором узким лучом света (луч лазерной указки). Поскольку соль полностью растворилась, никакого заметного эффекта не наблюдается.
Рисунок 1. а. Раствор соли без ПВА (рассеивания света не происходит).
б. Обнаружение коллоидов в соляном растворе с примесью ПВА
Эксперимент с биологическим материалом:
Растворяем куриный белок примерно в 300мл 1% раствора соли.
Освещаем полученный раствор узким лучом света. Если посмотреть на стакан сбоку, на пути луча видна яркая светящаяся полоса – появление эффекта Тиндаля.
Затем добавляем в раствор белка разбавленный раствор соляной кислоты. Белок свернется (денатурирует) с образованием белесоватого осадка. В верхней части стакана луч света снова не будет виден.
Рисунок 2. Эксперимент
с биологическим материалом
Результаты эксперимента: Если направить луч света сбоку на стеклянный стакан с раствором соли, луч будет невидим в растворе. Если луч света пропустить через стакан с коллоидным раствором (раствор ПАВ), он будет виден, потому что происходит рассеяние света на коллоидных частицах.
Рисунок 3. Результаты эксперимента
Влияние длины волны, размера частиц и концентрации на реализацию эффекта Тиндаля
Длина волны. Поскольку самую короткую длину из видимого спектра имеют волны цветов синей гаммы, именно эти волны отражаются от частиц при эффекте Тиндаля, а более длинные красные рассеиваются хуже.
Размер частиц. Если увеличивается размер частиц, то они могут влиять на рассеяние света любой длины волны, и «расщепленная» радуга складывается обратно, получая полностью белый свет.
Концентрация частиц. Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации частиц в коллоидном растворе.
Рисунок 4. Пропускание светового пучка красного спектра через емкость с водой
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
в истинных растворах эффект Тиндаля не проявляется, в отличие от коллоидных;
наблюдая эффект Тиндаля, можно обнаруживать наличие коллоидных частиц и тем самым распознать истинные и коллоидные растворы.
Применение эффекта Тиндаля
Основанные на Тиндаля эффекте методы обнаружения, определения размера и концентрации коллоидных частиц широко применяются в научных исследованиях и промышленной практике ( например, в ультрамикроскопах).
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.
Ультрамикроскопы применяют при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха. Воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.
Заключение
В процессе своего исследования я многое узнала об оптических эффектах, в частности, об эффекте Тиндаля. Данная работа помогла мне по-новому взглянуть как на некоторые разделы физики, так и на наш удивительный мир в целом.
Кроме аспектов, рассмотренных в данной работе, по моему мнению, было бы интересно изучить возможности более широкого практического применения эффекта Тиндаля.
Что же касается назначения исследования, то оно может быть полезно и интересно учащимся школ, которые увлекаются оптикой, а также всем, кто интересуется физикой и различного рода экспериментами.
Список литературы
Руководство по выполнению экспериментов к «NanoSchoolBox». NanoBioNet e.V/ Scince Park Перевод ИНТ.
Приложения
Рисунок 1. Обнаружение коллоидов в соляном растворе
Рисунок 2. Эксперимент с биологическим материалом
Рисунок 3. Результаты эксперимента
Рисунок 4. Пропускание светового пучка красного спектра через емкость с водой
Эффект Тиндаля
Эффект Тиндаля был открыт в результате исследования ученым взаимодействия световых лучей с различными средами. Он выяснил, что при прохождении лучей света через среду, содержащую взвесь мельчайших твердых частиц — например, пыльный или задымленный воздух, коллоидные растворы, мутное стекло — эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. Если же пропустить через мутную среду белый, например солнечный, свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, в то время как интенсивность зелено-желто красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле. Именно поэтому дымка от лесных пожаров, например, кажется нам голубовато-фиолетовой.
Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше), рассеяние становится полихромным, то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всём видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми — они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.
Можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию «дневного света» на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. Критерий Рэлея). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим — солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не попадают прямые солнечные лучи.
Ирландский физик и инженер. Родился в Лайлин-Бридж, графство Карлоу (Leighlin Bridge, County Carlow). По окончании средней школы работал топографом-геодезистом в военных организациях и на строительстве железных дорог. Одновременно окончил механический институт в Престоне. Уволен с военно-геодезической службы за протесты против плохих условий труда. Преподавал в Куинвуд-колледже (Хэмпшир), одновременно продолжал самообразование. В 1848–51 гг. слушал лекции в Марбургском и Берлинском университетах. Вернувшись в Англию, стал преподавателем, а затем и профессором Королевского института (Royal Institution) в Лондоне. Основные труды ученого посвящены магнетизму, акустике, поглощению теплового излучения газами и парами, рассеянию света в мутных средах. Изучал строение и движение ледников в Альпах.
Тиндаль был крайне увлечен идеей популяризации науки. Регулярно читал публичные лекции, часто в форме бесплатных лекций для всех желающих: для рабочих на заводских дворах в обеденные перерывы, рождественские лекции для детей в Королевском институте. Слава Тиндаля как популяризатора достигла и другого берега Атлантики — весь тираж американского издания его книги «Фрагменты науки» (Fragments of Science, 1871) был раскуплен за один день. Погиб в 1893 году нелепой смертью: готовя обед, жена ученого (пережившая его на 47 лет) по ошибке использовала вместо поваренной соли один из хранившихся на кухне химических реактивов.
Эффект Тиндаля
И в физике, и в химии изучается явление, которое помогает объяснить, почему некоторые частицы видны в определенное время. Это явление известно как Эффект Тиндаля. Это физическое явление было изучено ирландским ученым Джоном Тиндаллом в 1869 году. С тех пор эти исследования нашли многочисленные применения в области физики и химии. И дело в том, что он изучает некоторые частицы, которые не видны невооруженным глазом. Однако благодаря тому, что они могут отражать или преломлять свет, в определенных ситуациях они становятся невидимыми.
В этой статье мы расскажем вам все, что вам нужно знать об эффекте Тиндаля и его важности для физики в химии.
Что такое эффект Тиндаля
Это тип физического явления, который объясняет, как определенные разбавленные частицы или внутри газа могут стать видимыми благодаря тому факту, что они способны отражать или преломлять свет. Если мы посмотрим на это с первого взгляда, то увидим, что эти частицы не видны. Однако тот факт, что может рассеивать или поглощать свет по-разному, в зависимости от среды, в которой он находится, позволяет их различать. Их можно увидеть, если они подвешены в растворе, когда их пересекает поперек визуальной плоскости наблюдателя интенсивный луч света.
Если свет не проходит через этот контекст, их нельзя увидеть. Например, для облегчения понимания мы говорим о таких частицах, как пылинки. Когда солнце проникает через окно с определенным наклоном, мы можем видеть пылинки, плавающие в воздухе. В противном случае эти частицы не видны. Их можно увидеть только тогда, когда солнечный свет попадает в комнату с определенным наклоном и определенной интенсивностью.
Это так называемый эффект Тиндаля. В зависимости от точки зрения наблюдателя, вы можете увидеть частицы, которые обычно не видны. Другой пример, подчеркивающий эффект Тиндаля: когда мы используем автомобильные фары в туманную погоду. Освещение, которое немногие оказывают на влажность, позволяет нам видеть частицы воды во взвешенном состоянии. В противном случае мы бы увидели только сам туман.
Важность и вклад
Джон Тиндалл был также первооткрывателем парникового эффекта. благодаря моделированию атмосферы Земли в лаборатории. Первоначальная цель этого эксперимента состояла в том, чтобы точно рассчитать, сколько солнечной энергии пришло от Земли и сколько излучается обратно в космос с поверхности Земли. Как мы знаем, не вся солнечная радиация, попадающая на нашу планету, остается. Часть его отклоняется облаками, не доходя до поверхности. Другая часть поглощается парниковыми газами. Наконец, земная поверхность отклоняет часть падающего солнечного излучения в зависимости от альбедо каждого типа почвы. После эксперимента, проведенного Тиндалем в 1859 году, он смог обнаружить парниковый эффект.
Переменные, влияющие на эффект Тиндаля
Давайте посмотрим на некоторые из основных примеров, где мы можем использовать эффект Тиндаля:
Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать об эффекте Тиндаля.
Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.