丁达尔效应 （一种光的散射现象）

简介

其原理是光被悬浮的胶体粒子（1-100nm）散射而形成的。在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，丁达尔效应就是光的散射现象。当入射光为白光时，看到的丁达尔光锥往往呈现淡蓝色，其原理类似于瑞利散射，因为散射光的强度与波长的四次方成反比，而蓝光的散射比红光强得多。

丁达尔效应在我们的日常生活中十分常见。例如，当阳光透过窗户的缝隙进入昏暗的房间，或者光线穿过树叶间的间隙照射在茂密的森林中，都可以观察到丁达尔效应；而在电影放映时，当光束射向银幕上形成的光柱，也是丁达尔效应的体现。根据丁达尔效应的原理，可将其应用于教学实验鉴别溶胶等以及舞台设计、交通警示等其他领域。

简史

在古代时，人们就接触和利用很多种胶体，例如生活中遇到的面团、乳汁、油漆等均属于胶体范围。1663年，卡西尼斯（Cassius）用氯化亚锡还原金盐溶液制得了紫色的金溶胶。直至19世纪初，人们对胶体的研究才真正开始。例如1901年列斯使用U型管发现了胶体的“电泳”现象，18年后，布朗用显微镜发现粒子在不停运动，即“布朗运动”。

直至1857年，法拉第（Michael Faraday）使一束光线通过一个玫瑰红色的金溶胶，从侧面看到金溶胶中出现一条光路。后来丁达尔对此现象做了广泛的研究，后续人们把此种现象命名为“丁达尔效应”。1869年，丁达尔首次发现，若令一束经聚集的光投射到溶胶上，则从侧面（即与入射光垂直的方向上）可以看到一个发光的圆锥体，这个圆锥也被称为丁达尔圆锥，并分析这个光的通路主要是胶体中分散质微粒散射出来的光。

在此时期，大约1861-1864年，格拉阿姆（Thomas Graham）通过实验将晶体与胶体区分，并命名此类物质为“胶体”，建立“胶体化学”学科。1903年，西登托夫（Siedentopf）与齐格蒙第（Zsimondy）发明了超显微镜，观察到了胶粒的散射光。四年后，法伊曼明确提出胶体概念，确定其粒子大小在1-100nm之间。

原理

丁达尔效应是溶胶对光发生强烈散射的结果。光是电磁波。光照射粒子后使其极化为偶极子，偶极子振动时向各个方向发射与入射光同频率的电磁波，这就是散射光。如果是均匀单相介质，散射光波相互干涉而抵消，就观测不到光散射现象。如果是不均匀的介质(包括粒度不均一、密度涨落、浓度涨落)，散射光波不能抵消，有的还干涉增强，也能观测到散射现象。所以光学不均匀性是产生散射现象的根本原因。

而当光束透过胶体溶液或其它高分子溶液时，从光的角度来说分为两种情况，当光线射入分散体系时，第一种若入射光的波长小于分散质的粒子，则发生光的反射或折射现象，粗分散体系属此类，看不到丁达尔效应。

第二种则是若入射光的波长大于分散质的粒子，则发生光的散射现象。此时，光波绕过粒子而向各个方向散射出去，使得分散质粒子成为发光点。而分散质粒子散射出来的光称为乳光或散射光。无数被光照射的分散质粒子散射出乳光，使得汇聚光的传播路径显示出来了。从侧面（与光垂直的方向）可以看到汇聚光的传播路径，形似一个发光的圆维体。

而从分散系的角度来说，当粗分散体系遇见入射光时发生光的反射或折射，不发生散射。因此，人的肉眼看不到丁达尔效应。

但溶胶中粒子的直径为1~100nm，可见光的波长为400~760nm，因此，溶胶发生光的散射，并且出现丁达尔效应。

至于分子分散体系（一般为真溶液），虽然粒子的直径(小于1nm)小于可见光波长，也会发生散射，但粒子实在是太小了，散射不明显，不能看到明显的光路。

与瑞利散射的比较

英国物理学家瑞利（Rayleigh）研究丁达尔现象的散射光强度时发现，对于粒径远小于入射光波长 (

分散相粒子与分散介质的折射率差越大，散射光越强

大分子溶液是均相体系，大分子和溶剂的折射率极小，按照瑞利散射公式应该没有散射现象。但实际上大分子溶液也有散射现象。大分子溶液产生散射的原因是分子热运动引起的密度涨落、浓度涨落以及散射光的干涉增强。

粒子体积越小，散射强度越弱

散射光强度与粒子体积的平方成正比，粒子直径每减小10倍，散射光强减弱

此外，丁达尔效应可以结合生活中常见的物质进行创新实验。例如利用水晶泥（海洋宝宝）吸水后变成胶体的性质，将水晶泥加入自来水，吸水后使用激光笔照射，就可以观察到丁达尔效应，从而通过实验提升教学趣味性和学生对丁达尔效应的理解。

舞台设计

丁达尔现象在生活中最普遍的应用是舞台的灯光设计和照片拍摄。通过灯光的设计，一些不能通过语言或肢体表演表达的情绪，可以用多彩变幻的光束来表现。当观众的目光随着舞台光束的引导移动时，也会很自然地沉浸在舞台剧之中。

解释溶胶的颜色变化

溶液的颜色取决于溶质对可见光的吸收波长。如果溶液对可见光没有吸收，溶液是无色的。如果溶液吸收特定波长的光，其颜色呈现其补色。

溶胶有丁达尔效应，体系的颜色除了考虑粒子对光的选择吸收外还得考虑散射作用如果粒子对可见光的各部分吸收都很弱，则呈现散射光的颜色，并与观测方向有关，即侧面看呈淡蓝色，对着光源看呈淡橙色。如果粒子选择吸收某种特定波长的光，则溶胶呈现其补色。例如红色的金溶胶是因为金胶粒对500~600nm的绿光有较强吸收，因而透过光星现其补色一一红色，而微弱的散射光则掩盖，此时溶胶颜色鲜亮并与观测方向无关。但金溶胶放置一段时间后，颜色逐渐由红变蓝。这是因为放置后粒子变大，散射增强且散射光波长向长波方向移动，透过光趋向波长较短的蓝光，所以溶胶颜色变蓝。

大分子质均平均摩尔质量的测定

大分子溶液的光散射是由于体系分子热运动引起的不均一性导致。其散射光强度与溶剂的密度涨落、大分子的浓度涨落以及散射光之间的干涉等多种因素有关。根据涨落理论，可以导出大分子稀溶液的散射公式

类似现象

在生活中人们可以看到很多丁达尔效应或类似丁达尔效应的现象，如乳白色玻璃中的丁达尔效应、来自天文台的激光路径、罗马万神殿圆顶顶部的眼孔产生的丁达尔效应、悬浮在水中的面粉看起来是蓝色的、以及暗室现象，树林现象等等。

罗马万神殿圆顶顶部的眼孔产生的丁达尔效应

是指当日光从窗隙射入暗室，可以观察到光束的现象。类似场景也可以在电影院放映室电影播放时看到。

树林现象

树林现象一般指清晨森林中雾气未消散时，阳光透过树林缝隙形成一束束光柱散射在林间的现象。这种现象一般也会出现在清晨、日落时分或者雨后云层较多的时候。