|
|
|
| Het Tyndall-effect is lichtverstrooiing door deeltjes in een colloïde, zoals een zeer fijne suspensie. Ook bekend als Tyndall-verstrooiing, is het vergelijkbaar met Rayleigh-verstrooiing, in die zin dat de intensiteit van het verstrooide licht omgekeerd evenredig is met de vierde macht van de golflengte, zodat blauw licht veel sterker wordt verstrooid dan rood licht. |
| |
| Een voorbeeld in het dagelijks leven is de blauwe kleur die soms wordt waargenomen in de rook die wordt uitgestoten door motorfietsen, met name tweetaktmachines waarbij de verbrande motorolie deze deeltjes oplevert. Hetzelfde effect kan ook worden waargenomen bij tabaksrook, waarvan de fijne deeltjes ook bij voorkeur blauw licht verstrooien. |
| |
| Onder het Tyndall-effect worden de langere golflengten meer doorgelaten, terwijl de kortere golflengten diffuser worden gereflecteerd via verstrooiing. Het Tyndall-effect wordt waargenomen wanneer lichtverstrooiende deeltjes worden verspreid in een anderszins lichtdoorlatend medium, waarbij de diameter van een individueel deeltje in het bereik ligt van ongeveer 40 tot 900 nm, dat wil zeggen iets onder of nabij de golflengten van zichtbaar licht ( 400–750 nm). |
|
|
 |
Verstrooiing van het zonlicht in de mist
van een vochtig bos |
|
| |
| Het is met name toepasbaar op colloïdale mengsels; Het Tyndall-effect wordt bijvoorbeeld gebruikt in nefelometers om de grootte en dichtheid van deeltjes in aerosolen en andere colloïdale materie te bepalen. Onderzoek naar het fenomeen leidde direct tot de uitvinding van de ultramicroscoop en turbidimetrie. Het is vernoemd naar de 19e-eeuwse natuurkundige John Tyndall, die het fenomeen voor het eerst uitgebreid bestudeerde. |
| |
| Geschiedenis |
| |
| Vóór zijn ontdekking van het fenomeen stond Tyndall vooral bekend om zijn werk op het gebied van de absorptie en emissie van stralingswarmte op moleculair niveau. Bij zijn onderzoek in dat gebied was het noodzakelijk geworden lucht te gebruiken waaruit alle sporen van drijvend stof en andere deeltjes waren verwijderd, en de beste manier om deze deeltjes te detecteren was door de lucht in intens licht te baden. In de jaren zestig van de negentiende eeuw deed Tyndall een aantal experimenten met licht, waarbij hij stralen door verschillende gassen en vloeistoffen liet schijnen en de resultaten vastlegde. Daarbij ontdekte Tyndall dat wanneer de buis geleidelijk met rook werd gevuld en er vervolgens een lichtstraal doorheen scheen, de straal blauw leek aan de zijkanten van de buis, maar rood vanaf het andere uiteinde. Deze observatie stelde Tyndall in staat eerst het fenomeen voor te stellen dat later zijn naam zou dragen. |
| |
In 1902 werd de ultramicroscoop ontwikkeld door Richard Adolf Zsigmondy (1865–1929) en Henry Siedentopf (1872–1940), werkzaam voor
Carl Zeiss AG. Nieuwsgierigheid naar het Tyndall-effect bracht hen ertoe fel zonlicht toe te passen voor verlichting en ze waren in staat de grootte te bepalen van kleine gouden nanodeeltjes van 4 nm die de kleur van cranberryglas genereren. Dit werk leidde rechtstreeks tot Zsigmondy's Nobelprijs voor scheikunde. |
| |
| Vergelijking met Rayleigh-verstrooiing |
| |
Rayleigh-verstrooiing wordt gedefinieerd door een wiskundige formule die vereist dat de lichtverstrooiende deeltjes veel kleiner zijn dan de golflengte van het licht. Om een dispersie van deeltjes in aanmerking te laten komen voor de Rayleigh-formule, moeten de deeltjesgroottes kleiner zijn dan ongeveer 40 nanometer (voor zichtbaar licht), en de deeltjes kunnen individuele moleculen zijn. Colloïdale deeltjes zijn groter en bevinden zich in de buurt van de grootte van een golflengte van licht. Tyndall-verstrooiing, dat wil zeggen colloïdale deeltjesverstrooiing, is veel intenser dan Rayleigh-verstrooiing vanwege de grotere deeltjesgroottes die ermee gemoeid zijn. Het belang van de deeltjesgroottefactor voor intensiteit kan worden gezien in de grote exponent die deze heeft in de wiskundige verklaring van de intensiteit van Rayleigh-verstrooiing. Als de colloïdale deeltjes sferoïdaal zijn, kan Tyndall-verstrooiing wiskundig worden geanalyseerd in termen van de Mie-theorie, die deeltjesgroottes toestaat in de ruwe omgeving van
de golflengte van licht. Lichtverstrooiing door deeltjes met een complexe vorm wordt beschreven door de T-matrixmethode. |
| |
| De kleur van blauwe ogen is te wijten aan de Tyndall-verstrooiing van licht door een door-schijnende laag van troebel medium in de iris die talrijke kleine deeltjes met een diameter van ongeveer 0,6 micrometer bevat. Deze deeltjes zijn fijn gesuspendeerd in de fibrovasculaire structuur van het stroma of de voorste laag van de iris. Sommige bruine irissen hebben dezelfde laag, behalve dat er meer melanine in zit. Matige hoeveelheden melanine zorgen voor lichtbruine, donkerblauwe en groene ogen. |
| |
| In ogen die zowel deeltjes als melanine bevatten, absorbeert melanine licht. Bij afwezigheid van melanine is de laag doorschijnend (d.w.z. het licht dat erdoorheen gaat wordt willekeurig en diffuus verstrooid door de deeltjes) en een merkbaar deel van het licht dat deze doorschijnende laag binnenkomt, komt weer tevoorschijn via een radiaal verstrooid pad. Dat wil zeggen, er is sprake van terugverstrooiing, het omleiden van de lichtgolven terug naar de open lucht. |
| |
| Bij kortere golflengten vindt verstrooiing in grotere mate plaats. De langere golflengten hebben de neiging om dwars door de doorschijnende laag te gaan met ongewijzigde paden van geel licht, en dan de volgende laag verder terug in de iris tegen te komen, een lichtabsorbeerder die het epitheel of uvea wordt genoemd en die bruinzwart gekleurd is. De helderheid of intensiteit van verstrooid blauw licht dat door de deeltjes wordt verstrooid, is te wijten aan deze laag samen met het troebele medium van deeltjes in het stroma. |
|
|
 |
| Een blauwe iris met wat melanine |
|
| |
De langere golflengten worden dus niet zo veel teruggekaatst (door verstrooiing) naar de open lucht als de kortere golflengten. Omdat de kortere golflengten de blauwe golflengten zijn, ontstaat er een blauwe tint in het licht dat uit het oog komt. De blauwe iris is een voorbeeld van een
structurele kleur omdat deze alleen afhankelijk is van de interferentie van licht door het troebele medium om de kleur te genereren. |
| |
| Blauwe ogen en bruine ogen verschillen daarom anatomisch van elkaar op een genetisch niet-variabele manier vanwege het verschil tussen troebel medium en melanine. Beide soorten oogkleuren kunnen functioneel gescheiden blijven ondanks dat ze met elkaar vermengd zijn. |
| |
| Soortgelijke verschijnselen die verschillen van Tyndall-verstrooiing |
| |
| Wanneer de hemel overdag bewolkt is, dringt zonlicht door de troebelheidslaag van de wolken heen, wat resulteert in verstrooid, diffuus licht op de grond (zonnestraal). Dit vertoont Mie-verstrooiing in plaats van Tyndall-verstrooiing, omdat de wolkendruppels groter zijn dan de golflengte van het licht en alle kleuren ongeveer gelijkmatig verstrooien. Wanneer de hemel overdag onbewolkt is, is de kleur van de lucht blauw vanwege Rayleigh-verstrooiing in plaats van Tyndall. verstrooiing omdat de verstrooiende deeltjes de luchtmoleculen zijn, die veel kleiner zijn dan de golflengten van zichtbaar licht. Op dezelfde manier wordt de term Tyndall-effect ten onrechte toegepast op lichtverstrooiing door grote, macroscopische stofdeeltjes in de lucht, omdat ze vanwege hun grote omvang geen Tyndall-verstrooiing vertonen. |
| |
| Vergelijking tussen de drie belangrijkste verstrooiingsprocessen die zichtbaar licht ondergaat |
| Verstrooiingsproces |
Deeltjestype |
Deeltjesgrootte |
Resulterend effect |
| Rayleigh-verstrooiing |
Luchtmolecuul (N2 en O2) |
< 1 nanometer |
Hemelsblauwe tint |
| Tyndall-verstrooiing |
Colloïdale deeltjes in suspensie |
50 nm to 1 μm |
Blauw verstrooid licht |
| Mie-verstrooiing |
Groter luchtstof of wolkendruppels |
> 1 micrometer |
Alle kleuren gelijkmatig verspreid |
 |
| Afbeelding-1 |
|
|
 |
| Afbeelding-2 |
|
|
 |
| Afbeelding-3 |
|
|
 |
| Afbeelding-4 |
|
| |
| 1: Zonnestraal vertoont Mie-verstrooiing in plaats van Tyndall-verstrooiing. |
| 2: Mistverstrooiend verkeerslicht. |
| 3: Stof in de lucht dat Mie-verstrooiing vertoont in plaats van Tyndall-verstrooiing. |
| 4: Tyndall-effect geproduceerd door de oculus in de top van de koepel van het Pantheon, Rome. De oculus is de enige lichtbron in het Pantheon. |
| |
|
|
|
|
|
|
