高中化學(xué)教材中的“丁達(dá)爾效應(yīng)”研究

梁彥卿

丁達(dá)爾效應(yīng)的知識(shí)初中化學(xué)課本中就已涉及，膠體的性質(zhì)更是高中化學(xué)教材中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，初高中教材更側(cè)重于現(xiàn)象的介紹，而不是其本質(zhì)原理。本文探究了溶膠光學(xué)性質(zhì)的起因和本質(zhì)、影響丁達(dá)爾效應(yīng)的因素，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了探討。

一、丁達(dá)爾效應(yīng)的內(nèi)涵

丁達(dá)爾（Tyndall）在1869年發(fā)現(xiàn)，在讓一束匯聚的光射入溶膠時(shí)，從與光線前進(jìn)垂直的方向可以觀察到一條光亮的“通路”，這種現(xiàn)象被稱為丁達(dá)爾效應(yīng)。對(duì)于其他分散系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生類似的現(xiàn)象，但是現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如溶膠明顯。

溶膠中丁達(dá)爾效應(yīng)源于光線照射到膠體粒子時(shí)發(fā)生的散射，這種散射作用因?yàn)槟z體粒子直徑和可見(jiàn)光波長(zhǎng)的匹配而顯得格外明顯。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大約在400～750納米，而膠體粒子的直徑在1～100納米，小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)而又不過(guò)小。如果粒子的直徑大于或接近入射光的波長(zhǎng)，那么會(huì)發(fā)生反射和折射的現(xiàn)象;如果粒子的直徑太小，散射現(xiàn)象就會(huì)變得很微弱，不易觀察到。因此，丁達(dá)爾效應(yīng)成為鑒別膠體和溶液的簡(jiǎn)便方法。

丁達(dá)爾效應(yīng)的另一特點(diǎn)是，當(dāng)光通過(guò)膠體時(shí)，在不同的方向觀察光路會(huì)看到不同的顏色。以氯化銀和溴化銀的溶膠為例，在光前進(jìn)的方向觀察為淺紅色，而在與光前進(jìn)方向垂直的方向上觀察則為淡藍(lán)色，這是由于不同波長(zhǎng)的光散射程度不同所致。

二、影響丁達(dá)爾效應(yīng)的因素

在不同條件下，溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)中光的顏色和光強(qiáng)會(huì)隨之發(fā)生變化。影響顏色的因素有系統(tǒng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、溶膠膠體粒子的大小等;影響光強(qiáng)的因素有入射光的光強(qiáng)、波長(zhǎng)，膠體粒子的大小、濃度以及分散相和分散介質(zhì)的折射率等，這些影響因素與散射光光強(qiáng)的關(guān)系可以用瑞利（Rayleigh）方程來(lái)描述。

（一）光的顏色

透射光的顏色主要取決于系統(tǒng)對(duì)特定波段的光的吸收，這種對(duì)光的選擇性主要取決于系統(tǒng)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。如果溶膠對(duì)可見(jiàn)光的各波段的吸收都很弱，并且吸收大致相同，溶膠就表現(xiàn)為無(wú)色;如果溶膠對(duì)可見(jiàn)光中某一特定波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的選擇性吸收，則光透過(guò)后將呈現(xiàn)該波長(zhǎng)的補(bǔ)色光的顏色。

除此之外，溶膠粒子大小的不同也能引起顏色的變化，這是由于系統(tǒng)的散射而非吸收所引起的。一般來(lái)說(shuō)，隨著溶膠粒子的增大，散射增強(qiáng)，系統(tǒng)的最大吸收峰紅移，溶膠的顏色向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。以金溶膠為例，粒子很小時(shí)金溶膠為紅色，吸收峰在500納米左右，這時(shí)散射很弱;粒子較大時(shí)散射增強(qiáng)，系統(tǒng)的最大吸收峰波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，金溶膠逐漸由紅色變?yōu)樗{(lán)色。

（二）散射光的光強(qiáng)

散射光的光強(qiáng)可以用瑞利公式描述：

公式中K為與分散相和分散介質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，是單位體積中的粒子數(shù)，V是單個(gè)粒子的體積，和是入射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。由此方程可以看出，散射光的強(qiáng)度和入射光波長(zhǎng)的四次方成反比，因此入射光的波長(zhǎng)越短，散射作用越強(qiáng)。這導(dǎo)致從側(cè)面和透過(guò)方向看光的顏色不同。比如在用白光照射硫的溶膠時(shí)，從側(cè)面看到的散射光呈藍(lán)紫色，而透過(guò)光為橙紅色。

三、丁達(dá)爾效應(yīng)的應(yīng)用：暗視野顯微鏡

除了用于分辨膠體和溶液外，溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)還可以用來(lái)觀察膠體粒子。光學(xué)顯微鏡能辨別的最小極限約為200納米，無(wú)法用于觀察直徑在100納米以下的膠體粒子，但利用丁達(dá)爾效應(yīng)原理制作的暗視野顯微鏡（darkfieldmicroscope;又稱超顯微鏡，ultramicroscope）可以觀察膠粒。

暗視野顯微鏡的原理是用普通顯微鏡來(lái)觀察丁達(dá)爾效應(yīng)。用強(qiáng)光從側(cè)面照射溶膠，然后在黑暗的背景上進(jìn)行觀察。由于散射作用，膠粒成為閃閃發(fā)光的光點(diǎn)，可以清楚地看到膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)。

然而，暗視野顯微鏡實(shí)際上沒(méi)有真正提高顯微鏡的分辨率，它觀察的只是溶膠粒子對(duì)光線散射后的發(fā)光點(diǎn)而非粒子本身，因此暗視野顯微鏡不能直接確切看到膠體微粒的大小和形貌。然而，我們可以通過(guò)一些手段間接地近似得知粒子的性質(zhì)，比如可以通過(guò)假設(shè)粒子為球形來(lái)估算其體積，可以通過(guò)粒子是否有閃光現(xiàn)象來(lái)判斷其形狀是否對(duì)稱等。在更多情況下，暗視野顯微鏡被用來(lái)觀察膠體粒子的運(yùn)動(dòng)，如聚沉過(guò)程、沉降速度以及電泳現(xiàn)象等。

在醫(yī)學(xué)中，暗視野顯微鏡也有很多應(yīng)用。目前暗視野顯微鏡主要用于檢查梅毒螺旋體或其他病原體，也有研究指出暗視野顯微鏡在眼科診斷中觀察視網(wǎng)膜、在牙科診斷中觀察牙周炎等疾病均有較好的效果。

中學(xué)課本上，關(guān)于膠體的光學(xué)性質(zhì)只是簡(jiǎn)短的內(nèi)容介紹，經(jīng)過(guò)對(duì)溶膠及其丁達(dá)爾效應(yīng)擴(kuò)展研究，會(huì)對(duì)溶膠的性質(zhì)及丁達(dá)爾效應(yīng)有更深的理解。金膠體僅僅因?yàn)槟z體粒子大小的不同，顏色就能表現(xiàn)出如此豐富的變化，了解這種變化和它的本質(zhì)原因是一件令人興奮的事情。中學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)如果有相應(yīng)的介紹，會(huì)感受到很多的物理、化學(xué)的趣味性，豐富很多課本中的內(nèi)容，開(kāi)闊學(xué)生的視野，啟發(fā)中學(xué)生認(rèn)識(shí)到，課本外還有廣闊的知識(shí)海洋，應(yīng)當(dāng)廣泛閱讀，豐富自己。

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編輯 魯翠紅