III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ТИНДАЛЯ
Мазаева А.В.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

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.

Почему при пропускании через мутное стекло, задымленный воздух или раствор крахмала света разной спектральной окраски мы наблюдаем разный результат? Почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми, а дымка от лесных пожаров - голубовато-фиолетовой. Попробуем дать объяснение этим явлениям.

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).

Эффект Тиндаля по существу то же, что опалесценция (резкое усиление рассеяния света). 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.

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:

  1. Наливаем воду в стеклянный контейнер, полностью растворяем в нем немного поваренной соли.

  2. Освещаем сбоку стакан с полученным раствором узким лучом света (луч лазерной указки). Поскольку соль полностью растворилась, никакого заметного эффекта не наблюдается.

Рис.1, а

Рис.1, а

Рис.1, б

Рисунок 1. а. Раствор соли без ПВА (рассеивания света не происходит).

б. Обнаружение коллоидов в соляном растворе с примесью ПВА

Эксперимент с биологическим материалом:

  1. Растворяем куриный белок примерно в 300мл 1% раствора соли.

  2. Освещаем полученный раствор узким лучом света. Если посмотреть на стакан сбоку, на пути луча видна яркая светящаяся полоса – появление эффекта Тиндаля.

  3. 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.

Рисунок 5 . Пропускание светового пучка через емкость с истинным и коллоидным растворами.

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).

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 эффектом Тиндаля. 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.

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

  1. Гавронская Ю.Ю. Коллоидная химия : Учебник. СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2007. - 267 с.

  2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- .20 с. , 231 с. , 460 с.

  3. Руководство по выполнению экспериментов к «NanoSchoolBox». NanoBioNet e.V/ Scince Park Перевод ИНТ.

  4. https://indicator.ru/article/2016/12/04/istoriya-nauki-chelovek-rasseyanie.

  5. http://kf.info.urfu.ru/fileadmin/user_upload/site_62_6389/pdf/FiHNS_proceedings.pdf

  6. http://www.ngpedia.ru/id623274p1.html

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

Рисунок 5 . Пропускание светового пучка через емкость с истинным и коллоидным растворами.

 

12