Hiệu ứng Tyndall trong hóa học

Hiệu ứng Tyndall hay hiện tượng Tyndall bao gồm sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi một môi trường trong đó có các hạt nhỏ lơ lửng, chẳng hạn như trong trường hợp sữa, chất keo hoặc một căn phòng có khói hoặc trong đó không khí có nhiều bụi. Hiệu ứng này làm cho các chùm ánh sáng có thể nhìn thấy mà nếu không sẽ không bị phát hiện.

Một ví dụ điển hình của hiệu ứng Tyndall xảy ra khi chúng ta mở một cửa sổ trong phòng tối và chúng ta có thể nhìn thấy chùm ánh sáng xuyên qua phòng cho đến khi chiếu xuống sàn nhà. Ngoài ra, khi chúng ta bật đèn pha ô tô vào ban đêm giữa sương mù hoặc khi chúng ta nhìn thấy những tia nắng xuyên qua cành cây trong một khu rừng nhiều mây.

Hiện tượng này được đặt theo tên của John Tyndall, nhà vật lý người Anh và giáo sư triết học tự nhiên tại Viện Hoàng gia Luân Đôn, người đã nghiên cứu rộng rãi về nó trong thế kỷ 19. Hiện tượng này còn được gọi là tán xạ Rayleigh-Debye.

Hiệu ứng Tyndall là một trong nhiều hiện tượng tán xạ ánh sáng cho phép chúng ta giải thích nhiều quan sát chúng ta thực hiện hàng ngày liên quan đến cách ánh sáng tương tác với các loại hạt khác nhau.

Đặc điểm của hiệu ứng Tyndall

• Nó là một loại tán xạ đàn hồi, có nghĩa là nó không kéo theo sự thay đổi bước sóng, và do đó năng lượng của photon tới được bảo toàn.
• Nó được gây ra bởi các hạt tương đối lớn, có kích thước tương đương với bước sóng của ánh sáng khả kiến ​​hoặc lớn hơn.
• Nó phụ thuộc cả vào kích thước của các hạt và trọng lượng phân tử của các chất tạo nên mỗi hạt.
• Nó phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng tới.
• Nó xảy ra trong chất keo và huyền phù, nhưng không xảy ra trong các giải pháp thực tế.

Hiệu ứng Tyndall so với tán xạ Rayleigh so với tán xạ MIE

Hiệu ứng Tyndall và tán xạ Rayleigh có quan hệ mật thiết với nhau. Cả hai đều là hiện tượng tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt có trong môi trường như chất khí hoặc chất lỏng. Ngoài ra, trong cả hai trường hợp, ánh sáng tán xạ không trải qua bất kỳ sự thay đổi nào về bước sóng, nghĩa là năng lượng của các photon được bảo toàn, vì vậy chúng là những ví dụ về tán xạ đàn hồi.

Cuối cùng, cả trong hiệu ứng Tyndall và tán xạ Rayleigh, người ta quan sát thấy rằng ánh sáng khả kiến ​​có bước sóng ngắn nhất (ánh sáng xanh lam và tím) là ánh sáng bị tán xạ với cường độ lớn nhất.

Sự khác biệt chính giữa cả hai loại tán xạ là kích thước của các hạt chịu trách nhiệm cho sự tán xạ ánh sáng. Trong trường hợp hiệu ứng Tyndall, điều này chỉ được quan sát thấy khi các hạt tương đối lớn, có đường kính tương đương với bước sóng của ánh sáng tới, nghĩa là khoảng 400-700 nm, và thậm chí có thể lớn hơn. Điều này rơi vào phạm vi kích thước của nhiều hạt keo.

Ngược lại, trong trường hợp tán xạ Rayleigh, điều này xảy ra với các hạt nhỏ hơn nhiều trong khoảng 1/10 đến 1/20 bước sóng hoặc thậm chí ít hơn. Loại tán xạ này xảy ra với các nguyên tử và phân tử riêng lẻ , trong khi hiệu ứng Tyndall xảy ra với các đại phân tử có trọng lượng phân tử lớn hoặc với các hạt được tạo thành từ nhiều phân tử nhỏ hơn.

Mặt khác là sự phân tán MIE. Thuật ngữ này đề cập đến một khung lý thuyết để giải thích sự tán xạ của bức xạ điện từ (tức là ánh sáng) bởi các hạt hình cầu. Mô hình tán xạ MIE bao gồm sự phát triển lý thuyết hoàn chỉnh của các phương trình Maxwell để giải thích và mô tả các hiện tượng tán xạ như tán xạ Rayleigh và hiệu ứng Tyndall.

Công dụng của hiệu ứng Tyndall trong hóa học và các lĩnh vực khác

Hiệu ứng Tyndall đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Phép đo mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng tới và ánh sáng đi qua mẫu giúp xác định độ đục của mẫu. Điều này lại liên quan đến số lượng hạt lơ lửng và kích thước của chúng. Mặt khác, cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi một mẫu, ở các góc quan sát khác nhau, cũng giúp xác định bằng thực nghiệm kích thước trung bình của các hạt trong huyền phù, điều này có nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

Phân biệt dung dịch keo và dung dịch thật

Ứng dụng đơn giản nhất của hiệu ứng Tyndall là nó cho phép chúng ta dễ dàng phân biệt khi nào chúng ta có mặt dung dịch hoặc chất keo. Bằng mắt thường, một chất keo, chẳng hạn như gelatin đông cứng, xuất hiện hoàn toàn trong suốt và có dạng đồng nhất rất giống với dung dịch. Đó là, rất khó để phân biệt chất keo với dung dịch.

Tuy nhiên, nếu chúng ta chiếu sáng một mẫu chất keo bằng tia laze hoặc chỉ một chùm ánh sáng hội tụ trong phòng tối, hiệu ứng Tyndall sẽ làm cho chùm sáng có thể nhìn thấy được trong mẫu, điều này không xảy ra trong một giải pháp thực tế do đó các chất hòa tan trong dung dịch là các hạt quá nhỏ để tạo ra sự tán xạ do hiệu ứng Tyndall. Do đó, hiệu ứng này cho phép nhận ra chất keo một cách nhanh chóng và dễ dàng.

phép đo độ đục

Phép đo độ đục, hay phép đo độ đục, là một kỹ thuật tương tự như kỹ thuật hấp thụ nguyên tử và phân tử. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phân tích chất lượng nước và bao gồm đo lượng ánh sáng truyền qua một mẫu nước hoặc vật liệu khác. Sử dụng một định luật thực nghiệm tương tự như định luật hấp thụ Lambert-Beer, lượng chất rắn lơ lửng trong mẫu có thể được xác định, đây là một thông số quan trọng của chất lượng nước.

Độ đục được định nghĩa là logarit âm của mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng đi qua mẫu không bị xáo trộn (I) và cường độ ánh sáng tới (I 0 ₎ :

Độ đục này sau đó liên quan đến nồng độ của các hạt lơ lửng bằng biểu thức sau:

Trong đó k là hằng số tỷ lệ (tương đương với độ hấp thụ mol của định luật Lambert-Beer), l là chiều dài hoặc độ dày đường quang của mẫu và C là nồng độ của các hạt trong huyền phù.

Trong kỹ thuật này, cường độ của ánh sáng tán xạ được đo dọc theo cùng hướng với ánh sáng tới bằng cách sử dụng thiết bị gọi là máy đo độ đục.

phép đo thận

Nephelometry là một kỹ thuật tương tự như đo độ đục, với điểm khác biệt là thay vì đo cường độ ánh sáng theo cùng hướng với ánh sáng tới, nó được đo ở vị trí 90° so với nó. Kỹ thuật này cũng dựa trên sự phân tán các hạt keo lớn (hiệu ứng Tyndall) và được sử dụng rộng rãi để xác định định lượng một số kháng thể như globulin miễn dịch M, G và A (IgG, IgM và IgA).

Ngoài ra, phép đo thận cũng được sử dụng để:

• Tiến hành đo độ đục
• Theo dõi động học liên kết protein
• Theo dõi sự phát triển của vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy
• Kiểm tra độ hòa tan của thuốc
• Kiểm soát quy trình xăng dầu

Đo chức năng phân tán xuyên tâm

Trong trường hợp các hạt nhỏ, tán xạ Tyndall có thể được mô hình hóa bằng lý thuyết RGD hoặc lý thuyết MIE. Trong những trường hợp này, sự phân tán không đồng đều dọc theo các góc quan sát khác nhau. Cách mà cường độ thay đổi theo góc, được gọi là hàm tán sắc xuyên tâm, phụ thuộc phần lớn vào mối quan hệ giữa bước sóng ánh sáng và đường kính của hạt. Vì lý do này, việc đo chức năng tán xạ xuyên tâm khi biết bước sóng của ánh sáng tới giúp xác định bằng thực nghiệm kích thước của các hạt trong huyền phù.

Điều này đặc biệt hữu ích trong việc mô tả đặc tính và kiểm soát chất lượng của nhiều quy trình và sản phẩm công nghiệp như bình xịt, sơn, v.v.

Ví dụ về hiện tượng do hiệu ứng Tyndall

Màu xanh của mắt là do tán xạ Tyndall xảy ra trong mống mắt. Như đã đề cập ở phần đầu, các hạt lơ lửng phân tán ánh sáng xanh lam nhiều hơn các màu ánh sáng khác, đó là lý do tại sao mống mắt luôn trả lại nhiều ánh sáng xanh lam hơn là đi vào mắt. Hiệu ứng này thực sự xảy ra trong mắt của tất cả mọi người. Lý do tại sao một số người có mống mắt màu nâu hoặc gần như đen là vì họ có một lớp hắc tố trên mống mắt hấp thụ ánh sáng xanh tán xạ bởi mống mắt, do đó tạo ra màu sắc đặc trưng của nó.

Thủ thuật mà những tên trộm trong phim sử dụng để nhìn thấy tia laser an ninh trong ngân hàng và các khu vực an ninh cao khác dựa trên hiệu ứng Tyndall. Thổi vào một số bột talc hoặc một số loại bột mịn khác sẽ tạo ra một huyền phù nhỏ trong không khí gồm các hạt rắn làm tán xạ ánh sáng chuẩn trực cao từ các tia laze, khiến chúng ta có thể nhìn thấy chúng bằng mắt thường.

Tín hiệu của Người Dơi được chiếu trên các đám mây và xuyên qua đám mây Gotham khi Ủy viên Gordon cần nói chuyện với siêu anh hùng chỉ có thể nhìn thấy nhờ hiệu ứng Tyndall. Nếu loại tán xạ này không tồn tại, chùm ánh sáng sẽ xuyên qua các đám mây và đi vào không gian vô tận mà chúng ta không thể nhìn thấy nó, vì sẽ không có photon nào quay trở lại mắt chúng ta và tạo ra hình ảnh của con dơi.

Người giới thiệu

Barton, R. (2021, ngày 20 tháng 11). John Tyndall | nhà vật lý người Ireland . Bách khoa toàn thư Britannica. https://www.britannica.com/biography/John-Tyndall

Britannica, Biên tập viên của Encyclopaedia. (2021, ngày 20 tháng 4). Hiệu ứng Tyndall | Định nghĩa & Sự kiện . Bách khoa toàn thư Britannica. https://www.britannica.com/science/Tyndall-effect

Của BYJU. (2021, ngày 22 tháng 3). Nguyên tắc Quy định chung về bảo vệ dữ liệu (GDPR) BYJU’S . BYJUS. https://byjus.com/chemology/tyndall-effect-dispersion-of-light/

Medina, M. (2018, ngày 4 tháng 2). Đo độ đục và Nephelometry . Nhà phân tích sinh học. https://elbioanalista.blogspot.com/2017/11/turbidimetria-y-nefelometria.html

Thư viện Y khoa Quốc gia. (2022, ngày 18 tháng 2). Xét nghiệm nephelometry định lượng . MedlinePlus. https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003545.htm

Nephelometry – Ứng dụng, Cơ sở lý thuyết, Thiết bị đo lường . (n.d.). KripKit. https://kripkit.com/nefelometra/

Rosas García, VM (2005, ngày 5 tháng 12). Tính chất quang học của chất keo . Nhà hóa học69. http://www.geocities.ws/quimico69/fqav/propopti.htm

Valero, M. (nd). CHỦ ĐỀ II: SỰ TIÊU DIỆT ÁNH SÁNG . Gredos.Usal.Es. https://gredos.usal.es/bitstream/handle/10366/120540/MID_11_084_3.pdf