Διασπορά φωτός με αποτέλεσμα Tyndall
Το φαινόμενο Tyndall είναι η σκέδαση του φωτός από σωματίδια σε ένα κολλοειδές ή ένα πολύ λεπτό εναιώρημα σωματιδίων σε ένα υγρό. Εκτός από το ότι είναι γνωστό ως σκέδαση Tyndall, αυτό το φαινόμενο είναι παρόμοιο με τη σκέδαση Rayleigh στο ότι η ένταση του σκεδαζόμενου φωτός είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τέταρτη δύναμη του μήκους κύματος, με το μπλε φως να διασκορπίζεται σημαντικά πιο έντονα από το κόκκινο φως. Στην καθημερινή ζωή, ένα καλό παράδειγμα είναι ένα μπλε χρώμα που μπορεί περιστασιακά να παρατηρηθεί στον καπνό που εκπέμπουν οι μοτοσυκλέτες, ιδιαίτερα οι μηχανές δύο καπνών, επειδή τα σωματίδια στον καπνό προκαλούνται από την καύση του λαδιού κινητήρα.
Το φαινόμενο Tyndall χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι τα μεγαλύτερα μήκη κύματος μεταδίδονται πιο εύκολα ενώ τα μικρότερα μήκη κύματος ανακλώνται πιο διάχυτα μέσω της σκέδασης. Είναι δυνατό να παρατηρηθεί το φαινόμενο Tyndall όταν τα σωματίδια που διασκορπίζουν το φως διασκορπίζονται σε ένα κατά τα άλλα μέσο εκπομπής φωτός, όπου η διάμετρος ενός μεμονωμένου σωματιδίου είναι στην περιοχή από 40–900 nm, που είναι ελαφρώς κάτω ή κοντά στα μήκη κύματος του ορατό φως (400–750 nm).
Όταν πρόκειται για κολλοειδή μείγματα και λεπτά εναιωρήματα, είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Το φαινόμενο Tyndall, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται σε νεφελόμετρα. Πήρε αυτό το όνομα προς τιμήν του φυσικού του 19ου αιώνα John Tyndall, ο οποίος ήταν ο πρώτος που διεξήγαγε εκτενή έρευνα για το φαινόμενο.
Εφέ Tyndall
Κατά τη σύγκριση του μπλε και του κόκκινου φωτός, είναι γενικά αποδεκτό ότι το μπλε φως διασκορπίζεται σε μεγαλύτερο βαθμό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μήκος κύματος του μπλε φωτός είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του κόκκινου φωτός. Εξαιτίας αυτού, η εξάτμιση της μοτοσικλέτας εμφανίζεται μερικές φορές μπλε όταν εκπνέεται.
Οι διάμετροι των σωματιδίων που προκαλούν το φαινόμενο Tyndall μπορεί να κυμαίνονται από 40 νανόμετρα έως 900 νανόμετρα, ανάλογα με τη σύνθεσή τους. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός, από την άλλη πλευρά, κυμαίνεται από 400 έως 750 νανόμετρα, ανάλογα με την πηγή.
Παραδείγματα του φαινομένου Tyndall
Το γάλα είναι ένα κολλοειδές που περιέχει σφαιρίδια λίπους και πρωτεΐνης με τη μορφή σφαιριδίων λίπους. Οποιαδήποτε δέσμη φωτός που κατευθύνεται σε ένα ποτήρι γάλα θα διασκορπιστεί ως αποτέλεσμα της κίνησης του γάλακτος.
Η χρήση ενός φακού σε ένα ομιχλώδες περιβάλλον σάς επιτρέπει να βλέπετε τη διαδρομή του φωτός καθώς ταξιδεύει. Συγκεκριμένα, η σκέδαση φωτός σε αυτό το σενάριο προκαλείται από σταγονίδια νερού στην ομίχλη.
Στην πλάγια όψη, το ιριδίζον γυαλί φαίνεται μπλε, και αυτό οφείλεται στην παρουσία χρωστικών χρωστικών. Ωστόσο, όταν εμφανίζεται φως μέσα από το γυαλί, εκπέμπεται ένα πορτοκαλί φως.
Πώς συμβάλλει το φαινόμενο Tyndall στην εμφάνιση των μπλε ματιών;
Η ποσότητα μελανίνης που υπάρχει σε ένα από τα στρώματα της ίριδας είναι η κύρια διάκριση μεταξύ των μπλε, καφέ και μαύρων έγχρωμων ίριδων. Σε σύγκριση με μια μαύρη ίριδα, το στρώμα σε μια μπλε ίριδα περιέχει χαμηλότερη συγκέντρωση μελανίνης, με αποτέλεσμα το στρώμα να είναι πιο διαφανές. Το φαινόμενο Tyndall εμφανίζεται όταν το φως προσπίπτει σε αυτό το ημιδιαφανές στρώμα και διασκορπίζεται ως αποτέλεσμα της σκέδασης.
Επειδή το μπλε φως έχει μικρότερο μήκος κύματος από το κόκκινο φως, διασκορπίζεται σε μεγαλύτερο βαθμό από το κόκκινο φως. Το μη διασκορπισμένο φως απορροφάται από ένα άλλο στρώμα της ίριδας που βρίσκεται βαθύτερα στο μάτι.
Η σκέδαση του φωτός εμπλέκεται σε μια σειρά από φαινόμενα. Τέτοια φαινόμενα περιλαμβάνουν τη σκέδαση Rayleigh και τη σκέδαση Mie, για να αναφέρουμε μερικά παραδείγματα. Το μπλε χρώμα του καθαρού ουρανού προκαλείται από τη σκέδαση του φωτός από τα σωματίδια του αέρα, που είναι ένα παράδειγμα της σκέδασης Rayleigh σε δράση. Όταν ο ουρανός είναι συννεφιασμένος, από την άλλη πλευρά, είναι τα σχετικά μεγάλα σταγονίδια σύννεφων που ευθύνονται για τη διασπορά του φωτός.
Εφέ Tyndall εναντίον σκέδασης Rayleigh
Η σκέδαση Rayleigh ορίζεται από έναν μαθηματικό τύπο που καθορίζει ότι τα σωματίδια σκέδασης φωτός πρέπει να είναι πολλές φορές μικρότερα σε μέγεθος από το μήκος κύματος του φωτός που σκεδάζεται. Τα κολλοειδή σωματίδια είναι μεγαλύτερα και βρίσκονται σε γενική γειτνίαση με το μέγεθος ενός μήκους κύματος φωτός ως προς το μήκος και το πλάτος. Η σκέδαση Tyndall, επίσης γνωστή ως σκέδαση κολλοειδών σωματιδίων, είναι πολύ πιο έντονη από τη σκέδαση Rayleigh επειδή τα κολλοειδή σωματίδια που εμπλέκονται είναι πολύ μεγαλύτερα σε μέγεθος. Ο μεγάλος εκθέτης που έχει ο παράγοντας μεγέθους σωματιδίου στη μαθηματική δήλωση της έντασης της σκέδασης Rayleigh καταδεικνύει τη σημασία του παράγοντα μεγέθους σωματιδίου για την ένταση. Η σκέδαση Tyndall μπορεί να αναλυθεί μαθηματικά με βάση τη θεωρία Mie εάν τα κολλοειδή σωματίδια έχουν σχήμα σφαιροειδούς, γεγονός που επιτρέπει την παρατήρηση μεγεθών σωματιδίων που βρίσκονται στη γενική γειτνίαση με το μήκος κύματος του φωτός. Η μέθοδος T-matrix χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη σκέδαση του φωτός από σωματίδια με πολύπλοκα σχήματα.
Συμπέρασμα
Το φαινόμενο Tyndall είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο τα σωματίδια ενός κολλοειδούς σκεδάζουν δέσμες φωτός που κατευθύνονται προς αυτά. Στην πραγματικότητα, αυτό το φαινόμενο μπορεί να φανεί σε όλα τα κολλοειδή διαλύματα καθώς και σε μερικά πολύ λεπτά εναιωρήματα. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιοριστεί εάν ένα δεδομένο διάλυμα είναι ή όχι κολλοειδές. Λόγω της πυκνότητας των κολλοειδών σωματιδίων καθώς και της συχνότητας του προσπίπτοντος φωτός, η ένταση του σκεδαζόμενου φωτός ποικίλλει. Όταν μια δέσμη φωτός διέρχεται από ένα κολλοειδές διάλυμα, τα κολλοειδή σωματίδια που υπάρχουν στο διάλυμα εμποδίζουν την πλήρη διέλευση της δέσμης. Το φως συγκρούεται με τα κολλοειδή σωματίδια και σκορπίζεται ως αποτέλεσμα αυτής της σύγκρουσης (αποκλίνει από την κανονική τροχιά που είναι μια ευθεία γραμμή).
