اثر تیندال — به زبان ساده

اثر تیندال به پدیده‌ای می‌گویند که در آن، ذرات کلوئید، نور تابیده شده به آن‌ها را پخش می‌کنند. به عبارت دیگر، خاصیت پخشی نور در کلوئید، موسوم به اثر تیندال است. این اثر را تقریبا در تمامی کلوئیدها و برخی از سوسپانسیون‌ها می‌توان مشاهده کرد. در نتیجه، از اثر تیندال برای بررسی کلوئید بودن یک محلول استفاده می‌کنند. شدت نور پخش شده به چگالی ذرات کلوئیدی و فرکانس تابش نور بستگی دارد.

مقدمه

زمانیکه باریکه نوری از میان یک کلوئید عبور کند، ذرات کلوئیدی موجود در محلول اجازه عبور کامل باریکه نور را نمی‌دهند. نور با این ذرات برخورد می‌کند و پخش می‌شود. به عبارت دیگر،‌ با برخورد نور به این ذرات، حرکت مستقیم آن دچار انحراف خواهد شد. این خاصیت پخش‌شدگی سبب نمایان شدن مسیر باریکه نور در کلوئید می‌شود که در تصویر زیر به خوبی نشان داده شده است.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

به طور کلی، رنگ آبی به میزان بیشتری نسبت به نور قرمز پخش می‌شود زیرا طول موج نور آبی، کوچک‌تر از نور قرمز است. به همین دلیل، در برخی موارد، دود خروجی از اگزوز موتورسیکلت‌ها، به رنگ آبی دیده می‌شود. اثر تیندال در ابتدا توسط فیزیکدان ایرلندی، «جان تیندال» (John Tyndall) کشف شد و به پاس این کشف، نام او ارا برای این اثر انتخاب کردند. قطر ذراتی که می‌توانند سبب ایجاد اثر تیندال شوند از ۴۰ تا ۹۰۰ نانومتر متغیر هستند. به جهت مقایسه باید ذکر کنیم که طیف نور مرئی، گستره‌ای از 400-750 نانومتر دارد.

توصیف اثر تیندال

برای این‌که ماده‌ای به عنوان کلوئید شناخته شود، باید ابعاد ذرات آن (طول، عرض یا ضخامت)، به طور تقریبی بین ۱-۱۰۰۰ نانومتر باشد. از آن‌جایی که یک ماده یا محلولی کلوئیدی، از ذرات پراکنده همچون گرد و غبار یا قطرات آب در هوا تشکیل شده است، نور توانایی عبور مستقیم از میان این ذرات را نخواهد داشت. در عوض، با این ذرات کوچک برخورد می‌کند و در اثر پراکندگی، باریکه مرئی از نور تشکیل می‌دهد. چنین اثری، همانطور که در بالا به آن اشاره شد، به اثر تیندال معروف است.

اثر تیندال راه ساده‌ای برای تعیین کلوئید بودن یک مخلوط به شمار می‌آید. زمانیکه به یک محلول، نوری تابیده شود، این نور به خوبی از میان محلول عبور می‌کند در صورتیکه به هنگام عبور همین نور از یک محلول کلوئیدی، ماده موجود در فاز پراکنده، سبب پخش شدن نور در تمام جهات می‌شود که همین امر، نور را قابل مشاهده می‌کند.

به عنوان مثال می‌توان به عبور نور از آب و شیر اشاره کرد. نور به هنگام عبور از میان آب، بازتاب پیدا نمی‌کند چراکه یک کلوئید نیست اما با عبور نور از شیر، به دلیل خاصیت کلوئیدی شیر، از تمامی جهت‌ها بازتاب خواهد کرد. مثال دیگری را نیز می‌توان در رابطه با عبور نور چراغ قوه از مه یا دود بیان کرد. به دلیل خاصیت کلوئیدی مه، باریکه نور به راحتی قابل مشاهده است.

در تصاویر مختلف،‌ رنگ آسمان همواره آبی‌رنگ دیده می‌شود اما به تصویر زیر نگاه کنید. در این تصویر که از سطح ماه گرفته شده است، به دلیل عدم وجود اتمسفر، رنگ آسمان،‌ مشکی‌رنگ دیده می‌شود و هیچ نوری در اتمسفر، پخش (پراکنده) نمی‌شود.

برای آگاهی از دلیل آبی بودن رنگ آسمان، مطالعه مطلب زیر پیشنهاد می‌شود.

• چرا آسمان آبی است ؟ — به زبان ساده

اثر تیندال در سوسپانسیون

همانطور که گفته شد، اثر تیندال با پراکندگی نور از میان ذرات کلوئیدی مرتبط است. سوسپانسیون‌ها نیز ممکن است نور را پراکنده کنند اما اگر تعداد ذرات سوسپانسیون، بزرگ باشند، سوسپانسیونی کدر خواهیم داشت که پراکندگی نور در آن اتفاق نمی‌افتد.

مثال هایی از اثر تیندال

در ادامه،‌ مثال‌هایی را برای اثر تیندال ارائه می‌کنیم.

شیر، یک کلوئید شامل ذرات پروتئین و چربی است. همانطور که در بالا مشاهده کردید، زمانیکه پرتو نوری به لیوانی از شیر تابیده شود، این پرتو نور پخش خواهد شد که نمونه‌ای جالب از اثر تیندال به شمار می‌آید.

زمانیکه نور خورشید از میان ابرها عبور کند، باریکه‌های نور عبوری از ابرها به خوبی نمایان هستند که این امر، ناشی از خاصیت کلوئیدی ابرها است. در حقیقت، قطرات آب و بخار موجود در ابر، چنین شرایطی را بوجود می‌آورند.

زمانیکه برخی از ظروف شیشه‌ای کدر را از پهلو نگاه کنیم، به رنگ آبی دیده می‌شوند اما باریکه نور عبوری از آن‌ها نارنجی است. بررسی دقیق‌تری را در این خصوص به هنگام مقایسه اثر تیندال با پراکندگی رایلی بیان می‌کنیم.

اختلاف اصلی رنگ‌های آبی، قهوه‌ای و مشکی در عنبیه چشم، به مقدار ملانین در یکی از لایه‌های آن وابسته است. عنبیه چشم‌های آبی‌رنگ، مقدار ملانین کمتر و رنگی مات دارند. زمانیکه نور به این لایه مات برخورد می‌کند، به دلیل اثر تیندال، پخش می‌شود. با توجه به اینکه نور آبی، طول موج کمتری در مقایسه با نور قرمز دارد، به میزان بیشتری پراکنده می‌شود. لایه عمقی عنبیه نیز نور پراکنده نشده را جذب می‌کند. از آن‌جایی که بیشتر نور پخش شده، آبی‌رنگ است، چنین چشم‌هایی رنگ آبی به خود می‌گیرند.

مقایسه اثر تیندال با پراکندگی رایلی

«پراکندگی رایلی» (Rayleigh Scattering) به کمک رابطه ریاضی توصیف می‌شود که در آن، ذرات از طول موج نور تابشی کوچکتر هستند. برای اینکه ذرات در رابطه مربوط به پراکندگی رایلی صدق کنند باید اندازه‌ای کمتر از ۴۰ نانومتر (برای نور مرئی) داشته باشند. لازم به ذکر است که این ذرات ممکن است مولکو‌ل‌هایی منفرد باشند.

فیلم مجموعه آموزش دروس شیمی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

در مقابل، ذرات کلوئیدی، بزرگتر و نزدیک به اندازه طول موج نور هستند و موجب بوجود آمدن اثر تیندال می‌شوند. این امر بدان معنی است که پراکندگی ناشی از ذرات کلوئیدی، به دلیل اندازه بزرگتر ذرات شرکت کننده، شدت بیشتری خواهد داشت. اهمیت ضریب اندازه ذرات را در این شدت می‌توان در بیان ریاضی و نمایی پراکندگی رایلی جستجو کرد.

اگر ذرات کلوئیدی، کروی باشند، پراکندگی تیندال را می‌توان با «نظریه مای» (Mie Theory) توصیف کرد. آسمان صاف،‌ آبی‌رنگ است که این رنگ به دلیل پراکندگی نور توسط ذرات هوا تشکیل می‌شود و نمونه‌ای از پراکندگی رایلی به شمار می‌آید. در مقابل، زمانیکه آسمان، ابری باشد، قطراتِ به نسبت بزرگ آب، علت پخش‌شدگی نور هستند و در اینجا، پراکندگی مای خواهیم داشت.