丁达尔效应：物理现象及其应用

丁达尔效应

Tyndall Effect

以下生活中的美景，你可曾亲见？图1（a），早晨的树林里，光线穿过茂密的树丛，形成斑驳的影子；图1（b），大片乌云遮住了天空，金黄的阳光利剑般从乌云的边缘射出；图1（c），阳光穿过窗户照进黑暗的房间，形成一条明亮的光路，空气中的灰尘在光路中起起伏伏。这些现象的产生，我们称之为丁达尔效应。本实验通过演示丁达尔效应，解密其形成的原因。

图1　生活中的一些常见的丁达尔效应（a）清晨阳光穿过树丛（b）阳光透过乌云的边缘出射（c）阳光透过窗口射入黑暗的房间

实验装置

烧杯两只，激光笔一支，硫酸铜溶液，氢氧化铁胶体。

现象观察

把氢氧化铁（Fe(OH)₃）胶体倒入一只烧杯，用激光笔从烧杯的侧壁垂直照射胶体，我们会看到激光光束在Fe(OH)₃胶体中形成了一条明亮的通路，如图2（a）所示，这就是丁达尔效应。同样的，把硫酸铜（CuSO₄）溶液倒入另一只烧杯，用激光笔从烧杯侧壁垂直照射，我们没有在CuSO₄溶液中发现明显的光通路，也就是说，在Cu⁃SO₄溶液中不会形成丁达尔效应。那么，为什么丁达尔效应只出现在某些特定的液体中呢？

图2　光束在不同液体中的现象差异

现象解密

图3　约翰·丁达尔(www.xing528.com)

丁达尔现象是英国物理学家丁达尔于1869年研究胶体时首先发现的。我们在解释丁达尔现象以前，有必要先了解胶体的概念。在生活中，我们常遇到一种或几种物质分散在另一种介质中的现象，譬如蔗糖、食盐和农药等分散在水中，灰尘、雾霭分散在空气中等。它们共同构成的体系，被称为分散系，其中被分散的物质为分散质（或分散相），而分散质分散在其中的连续介质称为分散介质。通常，按分散质尺寸大小的不同，分散系可分为三类：分散质微粒直径大于100nm的分散系称为浊液（包括悬浊液和乳浊液）；微粒直径介于1～100nm之间的分散系称为胶体；而微粒直径小于1nm的分散系称为溶液。

光在介质里传播，光线照射到介质中的微粒上，如果微粒的尺寸比入射光波长大许多倍，则光会发生反射；如果微粒尺寸小于入射光波长，则光会发生散射，光波环绕微粒向四周发散，这种光称为散射光或乳光。我们知道，可见光的波长范围大约在400～750nm之间，大于胶体微粒，因此当光线穿过胶体时，胶体微粒对光线散射而在胶体内形成了一束明亮的通路，如图4所示，这就是丁达尔效应。那为什么在微粒直径小于1nm的溶液中，观察不到这种现象呢？原来，散射光的强度会随着散射微粒尺寸的减小而明显减弱，溶液中的微粒尺寸太小，对可见光的散射作用就非常微弱，因此在溶液中观察不到丁达尔效应。

图4　丁达尔效应示意图

除了上述固体分散在液体中可形成胶体外，烟尘、云、雾等分散在空气中也能形成胶体，有机玻璃、烟水晶等固体也是胶体，它们都能观察到丁达尔效应。

应用拓展

浊液因为颗粒较大，用肉眼观察，就可以很容易把它同胶体和溶液相区分。但胶体和溶液却不容易区分，因此丁达尔效应常被作为一种简单而有效的方法来区分溶液和胶体。

除了图1所列举的几种情景外，生活中还可见到很多丁达尔现象。譬如夜晚我们用手电筒照向天空，就会看到一束光柱射入茫茫黑夜；汽车或摩托车的前灯在夜间或有雾的时候发出的光柱，也可以看到类似现象。这些都是空气丁达尔效应的一种体现。很多景点利用空气丁达尔效应，用五彩的光束照射夜空，来达到美轮美奂的效果，如图5所示。

图5　丁达尔效应在生活中的应用

思考题

1.液体中微粒直径大于100nm就属于浊液，那么在能透光的乳浊液中，是否会产生丁达尔效应呢？

2.你能否想到更多的丁达尔效应的实际应用？试着利用丁达尔效应制作一些实用的小器件。