對丁達爾效應的研究

李俊生+趙琳+孫晶+郭瑞紅

摘要：丁達爾效應實驗引入激光筆作光源已成為教師廣泛采用的方法，然而由于激光的特殊性，實驗中出現(xiàn)的一些問題也隨之增多，文章對這些問題進行了實驗對照和理論研究，得出了一般體系都有光散射現(xiàn)象，只是強弱不同，并對這種差異進行了理論分析，同時對黑暗中一些體系的光散射以及光輻射等疑難問題進行了理論研究。

關鍵詞：分散系；丁達爾效應；光散射；發(fā)射光譜頻移

文章編號：1005–6629（2014）1–0044–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

丁達爾效應是膠體分散系的一種重要的光學性質，這種光學性質也是中學教師關于膠體性質和膠體分散系鑒別教學的重點內容，特別是近幾年來以激光筆為光源的丁達爾效應實驗的結果更是引起了人們廣泛的關注，其中一些研究成果引人矚目[1，2]，但是仍有很多問題需要在實驗的基礎上，進行深入的理論研究。

1 分散體系的光散射實驗

為了全面準確地把握丁達爾效應產生的原因，我們對常見的一些溶劑、不同的分散系采用不同的光源進行實驗，盛裝藥品的玻璃儀器均為50mL小燒杯，三色激光筆（50mw）（波長：紅/650nm，綠/532nm，藍紫/405nm）；綠色激光筆（200mw）（波長532nm±10）。實驗結果如表1所示。

實驗結果表明以不同激光筆為光源的丁達爾效應實驗展示了和以往人們關于丁達爾效應實驗現(xiàn)象不同的諸多方面：（1）大多數(shù)不同的體系均有光亮的通路，有強弱之分；（2）功率高的綠色激光筆幾乎對所有分散系形成光亮通路且可透過；（3）純水也有程度不同的光亮通路；（4）對于溶液而言正常光線下是微弱光亮通路或沒有光亮通路，但是在黑暗中確是較明顯的光亮通路；蒸餾水也一樣；而光亮通路（垂直于光的入射方向觀察的結果）的顏色以及透過光或光斑（透過分散系在背景墻上形成的光點）的顏色也成為人們研究的另一方面。對此我們認為，上面表1、2說明發(fā)出不同顏色激光的激光筆給丁達爾效應實驗帶來了極大的方便，但是也出現(xiàn)了復雜情況，因此結合化學實驗以及理論研究對丁達爾效應實驗進行深入的研究是十分必要的，以下是我們根據(jù)光散射理論[3]、常見分散系分散質微粒大小之間的關系[4]進行的有關研究。

2 實驗結果的討論

表1、2展示的實驗內容是一些具有代表性體系的丁達爾效應，但是實驗結果卻和教科書的一些內容有些出入，這些實驗結果也是一些教師以及學生心中疑惑的問題，因此有必要對實驗現(xiàn)象加以理論分析。

2.1 實驗教學中應關注的問題

研究實驗結果之前對散射理論以及相關問題做必要的梳理是搞好實驗分析的重要前提，也是深刻理解膠體分散系的必然要求，對此分析如下：

（1）膠體分類中只有疏液膠體具有全面的膠體性質，親液膠體以及締合膠體嚴格講和疏液膠體具有本質區(qū)別。

（2）膠體的分類是相對的，其中微粒大小略小于1 nm或略大于100 nm的分散系也具有一定的膠體性質[5]。

（3）體系微粒對光的散射是廣泛存在的，散射的原因不同結果也不同，膠體分散系可能沒有丁達爾效應，非膠體體系也可能有丁達爾效應，一般看來膠體分散系的丁達爾效應比較強[6]。

（4）光亮通路的顏色及原因、入射光、散射光、透射光性質、溶膠顏色等問題應該引起教師的關注。

（5）觀察光亮通路的最佳位置應該引導學生實驗研究并加以總結。

2.2 分散體系光散射實驗結果分析

2.2.1 CCl4（l）、C6H6（l）、H2O（l）的光散射

這三種液體的實驗結果表明有微弱的丁達爾現(xiàn)象，依據(jù)Rayleigh散射理論如n1=n2則應該無散射現(xiàn)象，但是依據(jù)Debye散射理論觀點，由于分子的熱運動會引起液體密度的漲落，局部區(qū)域密度的漲落會引起折射率的變化，從而引起系統(tǒng)的光學不均勻性而引起光散射，由于一定溫度下分子的熱運動變化不大，因此液體密度的變化也應該很微弱，所以這種散射也應該很微弱，另外CCl4分子間的鹵鍵、C6H6分子間π-π以及C-H…π作用，H2O分子之間的氫鍵等弱相互作用都可能促成小分子向大分子的聚集，實現(xiàn)進入1～100 nm而產生微弱的丁達爾現(xiàn)象也是很重要的因素，例如研究表明H2O分子之間通過氫鍵確實可以形成納米水，納米水分子的大小在2～100 nm之間[7]。

2.2.2 醫(yī)用酒精、CuSO4（飽和）、NaCl（飽和）的光散射

這三種液體的實驗結果表明有微弱的丁達爾現(xiàn)象，只是CuSO4（飽和）對綠色或藍紫色激光的丁達爾現(xiàn)象強些，依據(jù)Debye散射理論觀點醫(yī)用酒精、NaCl（飽和）的微弱丁達爾現(xiàn)象應該來自溶液中的溶劑密度的漲落，其次是溶質的濃度的漲落；而CuSO4（飽和）比較特殊，一是對紅色激光沒有通路，其原因是由于CuSO4（飽和）是藍綠色的，說明其溶液對紅光有吸收作用，所以沒有光亮通路，二是CuSO4（飽和）對藍紫色或綠色激光的散射比醫(yī)用酒精、NaCl（飽和）強一些，這可能是在硫酸銅溶液中存在如下平衡[8]：

CuSO4+2H2O Cu（OH）2+H2SO4

CuSO4+Cu（OH）2 Cu2（OH）2SO4

由于難溶物Cu2（OH）2SO4的生成，可能形成疏水膠體，特別是在加熱硫酸銅的情況下，這種疏水溶膠的濃度可以期望達到理想的程度。

2.2.3 豆?jié){、牛奶的光散射

實驗結果表明濃的豆?jié){或牛奶對三種激光沒有光亮通路，只是在激光入射點靠近液面處能觀察到近圓形的散射光；極稀時才對三種激光形成光亮的通路；對于這兩種分散系一般專業(yè)書籍中認為是乳濁液[9]，而高中教材中認為豆?jié){是膠體，據(jù)此很多教師或學生認為牛奶和豆?jié){類似，也應該為膠體，據(jù)此我們查閱了豆?jié){、牛奶的有關組成的信息，情況如下。

前面的分析說明四者顏色的關系比較復雜，把握四者顏色之間的關系對于引導學生觀察，培養(yǎng)學生觀察能力很重要，對此總結如下：

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補[26]，這時也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實驗現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時散射光為藍紫色，透射光為黃色，具有互補性，例如硅酸溶膠的丁達爾效應實驗的散射光和透射光就是這樣。

（5）當一束光通過介質時，在入射光方向以外的各個方向觀察到光輻射的強度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大?。╠）有關，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強；散射光強度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強度與單位體積內的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內排列較整齊時，每個粒子所產生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實驗方法進行了實驗教學，從目前的實驗效果看并不好，因為當采用綠色或藍紫色激光時，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達爾現(xiàn)象。我們認為作為課堂演示實驗應該具有穩(wěn)定的演示結論，而硫酸銅溶液不具備演示結論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達爾現(xiàn)象而用綠色或藍紫色激光就有，這種情況容易使教學效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時即使采用不同顏色的激光，也會出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達爾現(xiàn)象的結論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動或放置一定時間后再做丁達爾效應實驗并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術的普及，各種激光顏色的激光筆進入家庭，使得各種情況的丁達爾效應實驗現(xiàn)象廣泛進入學生的視野，由此引起的問題是學生對丁達爾效應的各種疑問，這不能不說對教師的教學帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達爾效應以及相關的理論問題對教師搞好化學實驗教學具有重要的啟示。

參考文獻：

[1]劉文芳，楊芳.探究如何更清楚地觀察到豆?jié){的丁達爾效應[J].化學教育，2009，30（8）：58～61.

[2]鄭志信.對“紅光照射硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體實驗”的探究[J].化學教育，2010，31（7）：76～77.

[3][6][10][13][21]王思玲，蘇德森.膠體分散藥物制劑[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006：188～354.

[4][5][9][11][14][16]沈鐘，趙振國，康萬利.膠體與表面化學（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：2～52.

[7]龐小峰.在水中的納米水分子的發(fā)現(xiàn)和它的特點及實驗證實[J].原子與分子物理學報，2006，（4）：1～3.

[8][20]劉懷樂.中學化學教學思維[M].重慶：重慶出版社，2009：44～46.

[12]常敏.牛奶質量光學檢測的作用機理及影響因素研究[D].天津：天津大學碩士學位論文，2006：12～27.

[15]黃友如，華欲飛，裘愛泳.光散射及其在大豆蛋白粒度分析中應用[J].糧食與油脂，2003，（12）：14～16.

[17]嚴宣申.制備氫氧化鐵膠體[J].化學教育，2006，27（8）：33～38.

[18]吳秀艷，吳立新.鐵系黃色顏料的制造[J].遼寧化工，1996，（1）：19.

[19][25]樊美公，姚建年，佟振合.分子光化學與光功能材料科學[M].北京：科學出版社，2009：29～825.

[22]劉一星，余亞斌，張麗等.納米體系中發(fā)光能隙展寬的研究[J].物理學報，2008，57（11）：6754.

[23]陳力勤，鐘淮真，陳日耀等.α-Fe2O3-TiO2/SA復合半導體薄膜的制備及光催化性能的研究[J].電化學，2004，10（4）：452～458.

[24]宋國利，劉慧英，孫凱霞等.納米ZnO膠體可見光發(fā)射機制的研究[J].發(fā)光學報，2003，24（4）：350～351.

[26]陳福，武麗華，趙恩錄等.玻璃顏色概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：1.

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補[26]，這時也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實驗現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時散射光為藍紫色，透射光為黃色，具有互補性，例如硅酸溶膠的丁達爾效應實驗的散射光和透射光就是這樣。

（5）當一束光通過介質時，在入射光方向以外的各個方向觀察到光輻射的強度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大小（d）有關，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強；散射光強度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強度與單位體積內的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內排列較整齊時，每個粒子所產生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實驗方法進行了實驗教學，從目前的實驗效果看并不好，因為當采用綠色或藍紫色激光時，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達爾現(xiàn)象。我們認為作為課堂演示實驗應該具有穩(wěn)定的演示結論，而硫酸銅溶液不具備演示結論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達爾現(xiàn)象而用綠色或藍紫色激光就有，這種情況容易使教學效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時即使采用不同顏色的激光，也會出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達爾現(xiàn)象的結論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動或放置一定時間后再做丁達爾效應實驗并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術的普及，各種激光顏色的激光筆進入家庭，使得各種情況的丁達爾效應實驗現(xiàn)象廣泛進入學生的視野，由此引起的問題是學生對丁達爾效應的各種疑問，這不能不說對教師的教學帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達爾效應以及相關的理論問題對教師搞好化學實驗教學具有重要的啟示。

參考文獻：

[1]劉文芳，楊芳.探究如何更清楚地觀察到豆?jié){的丁達爾效應[J].化學教育，2009，30（8）：58～61.

[2]鄭志信.對“紅光照射硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體實驗”的探究[J].化學教育，2010，31（7）：76～77.

[3][6][10][13][21]王思玲，蘇德森.膠體分散藥物制劑[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006：188～354.

[4][5][9][11][14][16]沈鐘，趙振國，康萬利.膠體與表面化學（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：2～52.

[7]龐小峰.在水中的納米水分子的發(fā)現(xiàn)和它的特點及實驗證實[J].原子與分子物理學報，2006，（4）：1～3.

[8][20]劉懷樂.中學化學教學思維[M].重慶：重慶出版社，2009：44～46.

[12]常敏.牛奶質量光學檢測的作用機理及影響因素研究[D].天津：天津大學碩士學位論文，2006：12～27.

[15]黃友如，華欲飛，裘愛泳.光散射及其在大豆蛋白粒度分析中應用[J].糧食與油脂，2003，（12）：14～16.

[17]嚴宣申.制備氫氧化鐵膠體[J].化學教育，2006，27（8）：33～38.

[18]吳秀艷，吳立新.鐵系黃色顏料的制造[J].遼寧化工，1996，（1）：19.

[19][25]樊美公，姚建年，佟振合.分子光化學與光功能材料科學[M].北京：科學出版社，2009：29～825.

[22]劉一星，余亞斌，張麗等.納米體系中發(fā)光能隙展寬的研究[J].物理學報，2008，57（11）：6754.

[23]陳力勤，鐘淮真，陳日耀等.α-Fe2O3-TiO2/SA復合半導體薄膜的制備及光催化性能的研究[J].電化學，2004，10（4）：452～458.

[24]宋國利，劉慧英，孫凱霞等.納米ZnO膠體可見光發(fā)射機制的研究[J].發(fā)光學報，2003，24（4）：350～351.

[26]陳福，武麗華，趙恩錄等.玻璃顏色概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：1.

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補[26]，這時也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實驗現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時散射光為藍紫色，透射光為黃色，具有互補性，例如硅酸溶膠的丁達爾效應實驗的散射光和透射光就是這樣。

（5）當一束光通過介質時，在入射光方向以外的各個方向觀察到光輻射的強度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大?。╠）有關，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強；散射光強度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強度與單位體積內的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內排列較整齊時，每個粒子所產生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實驗方法進行了實驗教學，從目前的實驗效果看并不好，因為當采用綠色或藍紫色激光時，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達爾現(xiàn)象。我們認為作為課堂演示實驗應該具有穩(wěn)定的演示結論，而硫酸銅溶液不具備演示結論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達爾現(xiàn)象而用綠色或藍紫色激光就有，這種情況容易使教學效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時即使采用不同顏色的激光，也會出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達爾現(xiàn)象的結論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動或放置一定時間后再做丁達爾效應實驗并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術的普及，各種激光顏色的激光筆進入家庭，使得各種情況的丁達爾效應實驗現(xiàn)象廣泛進入學生的視野，由此引起的問題是學生對丁達爾效應的各種疑問，這不能不說對教師的教學帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達爾效應以及相關的理論問題對教師搞好化學實驗教學具有重要的啟示。

參考文獻：

[1]劉文芳，楊芳.探究如何更清楚地觀察到豆?jié){的丁達爾效應[J].化學教育，2009，30（8）：58～61.

[2]鄭志信.對“紅光照射硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體實驗”的探究[J].化學教育，2010，31（7）：76～77.

[3][6][10][13][21]王思玲，蘇德森.膠體分散藥物制劑[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006：188～354.

[4][5][9][11][14][16]沈鐘，趙振國，康萬利.膠體與表面化學（第四版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：2～52.

[7]龐小峰.在水中的納米水分子的發(fā)現(xiàn)和它的特點及實驗證實[J].原子與分子物理學報，2006，（4）：1～3.

[8][20]劉懷樂.中學化學教學思維[M].重慶：重慶出版社，2009：44～46.

[12]常敏.牛奶質量光學檢測的作用機理及影響因素研究[D].天津：天津大學碩士學位論文，2006：12～27.

[15]黃友如，華欲飛，裘愛泳.光散射及其在大豆蛋白粒度分析中應用[J].糧食與油脂，2003，（12）：14～16.

[17]嚴宣申.制備氫氧化鐵膠體[J].化學教育，2006，27（8）：33～38.

[18]吳秀艷，吳立新.鐵系黃色顏料的制造[J].遼寧化工，1996，（1）：19.

[19][25]樊美公，姚建年，佟振合.分子光化學與光功能材料科學[M].北京：科學出版社，2009：29～825.

[22]劉一星，余亞斌，張麗等.納米體系中發(fā)光能隙展寬的研究[J].物理學報，2008，57（11）：6754.

[23]陳力勤，鐘淮真，陳日耀等.α-Fe2O3-TiO2/SA復合半導體薄膜的制備及光催化性能的研究[J].電化學，2004，10（4）：452～458.

[24]宋國利，劉慧英，孫凱霞等.納米ZnO膠體可見光發(fā)射機制的研究[J].發(fā)光學報，2003，24（4）：350～351.

[26]陳福，武麗華，趙恩錄等.玻璃顏色概論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：1.