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チンダル効果またはチンダル現象は、牛乳、コロイド、煙のある部屋、空気が上昇した部屋など、小さな粒子が懸濁している媒体によって引き起こされる光の散乱で構成されています。この効果により、他の方法では検出されずに通過する可視光線が作成されます。
チンダル効果の典型的な例は、暗い部屋で窓を開けると、床に到達するまで部屋を横切る光のビームを見ることができる場合に発生します。また、夜、霧の中で車のヘッドライトを点灯させたり、曇った森の木々の枝を通して太陽光線を見たりするとき.
この現象は、英国の物理学者であり、19 世紀に広く研究したロンドン王立研究所の自然哲学教授であるジョン・ティンダルにちなんで名付けられました。この現象はレイリー・デバイ散乱とも呼ばれます。
チンダル効果は、光がさまざまな種類の粒子と相互作用する方法に関連して、私たちが毎日行っている観察の多くを説明できるいくつかの光散乱現象の 1 つです。
チンダル効果の特徴
- これは一種の弾性散乱であり、波長の変化を伴わないため、入射光子のエネルギーは保存されます。
- これは、可視光の波長に匹敵するかそれ以上のサイズの比較的大きな粒子によって引き起こされます。
- それは、粒子のサイズと、各粒子を構成する物質の分子量の両方に依存します。
- それは入射光の偏光に依存します。
- それはコロイドと懸濁液で発生しますが、実際の溶液では発生しません.
チンダル効果対レイリー散乱対MIE散乱
チンダル効果とレイリー散乱は密接に関連しています。どちらも、気体や液体などの媒体中に存在する粒子によって引き起こされる光散乱現象です。さらに、どちらの場合も、散乱光は波長の変化を受けません。つまり、光子のエネルギーは保存されるため、弾性散乱の例です。
最後に、チンダル効果とレイリー散乱の両方で、波長が最も短い可視光 (青と紫の光) が最大の強度で散乱されることが観察されます。
両方のタイプの散乱の主な違いは、光の散乱に関与する粒子のサイズです。チンダル効果の場合、これは粒子が比較的大きく、直径が入射光の波長、つまり約 400 ～ 700 nm に匹敵し、さらに大きい場合にのみ観察されます。これは、多くのコロイド粒子のサイズ範囲に入ります。
対照的に、レイリー散乱の場合、これは波長の 1/10 ～ 1/20 またはそれ以下のはるかに小さな粒子で発生します。このタイプの散乱は個々の原子や分子で発生しますが、チンダル効果は大きな分子量の高分子、または多数の小さな分子で構成される粒子で発生します。
一方、MIE分散です。この用語は、球状粒子による電磁放射 (つまり光) の散乱を説明するための理論的枠組みを指します。MIE 散乱モデルは、レイリー散乱やチンダル効果などの散乱現象を説明および特徴付けるためのマクスウェル方程式の完全な理論展開で構成されています。
化学およびその他の分野におけるチンダル効果の使用
チンダル効果は、さまざまな業界で広く使用されています。入射光の強度とサンプルをなんとか通過した光との関係を測定することで、サンプルの濁度を決定することができます。これは、浮遊粒子の量とそのサイズに関連しています。一方、さまざまな観察角度でのサンプルによって散乱された光の強度により、懸濁液中の粒子の平均サイズを実験的に決定することも可能になり、業界で多くの実用的な用途が見られます。
コロイドと実液の見分け方
チンダル効果の最も単純な応用は、溶液またはコロイドの存在下にいるときを簡単に区別できるようにすることです. 肉眼では、凝固したゼラチンなどのコロイドは完全に透明に見え、溶液と非常によく似た均一な外観をしています。すなわち、コロイドと溶液の区別がつきにくい。
ただし、コロイドのサンプルを暗い部屋でレーザーまたは焦点を合わせた光のビームだけで照らすと、チンダル効果によりサンプル内で光ビームが見えるようになりますが、実際のソリューションではそうではありません。溶液中の溶質は、チンダル効果による散乱を生成するには小さすぎる粒子です。したがって、この効果により、コロイドを迅速かつ簡単に認識することができます。
濁度測定
比濁法、または濁度の測定は、原子および分子吸収技術に似た技術です。この技術は、水質の分析で広く使用されており、水または他の物質のサンプルを透過した光の量を測定することから成ります。吸光度の Lambert-Beer の法則に似た経験則を使用して、サンプル中の懸濁物質の量を決定できます。これは、水質の重要なパラメーターです。
濁度は、乱されていないサンプルをなんとか通過する光の強度 (I) と入射光の強度 (I 0 )との関係の負の対数として定義されます。
この濁度は、次の式によって懸濁粒子の濃度に関連付けられます。
ここで、k は比例定数 (ランベルト ベールの法則のモル吸光率に相当)、lはサンプルの光路長または厚さ、C は懸濁液中の粒子の濃度です。
この手法では、濁度計と呼ばれる装置を使用して、散乱光の強度を入射光と同じ方向に沿って測定します。
比濁法
比濁法は比濁法に似た技術ですが、入射光と同じ方向の光強度を測定する代わりに、それに対して 90° の位置で測定するという違いがあります。この手法は、コロイドの大きな粒子の分散 (チンダル効果) にも基づいており、免疫グロブリン M、G、A (IgG、IgM、IgA) などの特定の抗体の量を定量的に決定するために広く使用されています。
さらに、ネフロメトリーは次の目的にも使用されます。
- 濁度測定の実施
- タンパク質結合動態をモニタリング
- 培養液中の微生物の増殖を監視
- 薬物溶解性スクリーニングを行う
- 石油プロセス制御
動径分散関数の測定
小さな粒子の場合、チンダル散乱は RGD 理論または MIE 理論によってモデル化できます。これらの場合、分散は異なる観察角度に沿って均一ではありません。放射状分散関数として知られる、角度によって強度が変化する方法は、光の波長と粒子の直径との関係に大きく依存します。このため、入射光の波長を知っている放射散乱関数を測定すると、懸濁液中の粒子のサイズを実験的に決定することが可能になります。
これは、エアロゾル、塗料などの多くの産業プロセスや製品の特性評価と品質管理に特に役立ちます。
チンダル効果による現象例
目の青い色は、虹彩で発生するチンダル散乱によるものです。冒頭で述べたように、浮遊粒子は他の色の光よりも青色光を多く散乱します。これが、虹彩が常に目に入るよりも多くの青色光を返す理由です。この効果は、実際にすべての人の目に発生します。一部の虹彩が茶色またはほとんど黒である理由は、虹彩にメラニンの層があり、虹彩によって散乱された青い光を吸収して、虹彩に特徴的な色を与えているためです。
映画の泥棒が銀行やその他の厳重なセキュリティ エリアでセキュリティ レーザーを見るために使用する手口は、チンダル効果に基づいています。タルクやその他の微粉末を吹きかけると、固体粒子の小さな浮遊懸濁液が生成され、レーザーからの高度にコリメートされた光が散乱され、目に見えるようになります。
コミッショナー ゴードンがスーパーヒーローと話す必要があるときに雲の上とゴッサム ヘイズを通して投影されるバットマンの信号は、ティンダル効果のおかげでのみ表示されます。このタイプの散乱が存在しない場合、光ビームは雲を通り抜け、目に見えずに無限の空間に入ります。これは、目に到達してコウモリの画像を生成するために戻ってくる光子がないためです。
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