梁彥卿

丁達爾效應的知識初中化學課本中就已涉及，膠體的性質更是高中化學教材中的一個重要知識點，初高中教材更側重于現象的介紹，而不是其本質原理。本文探究了溶膠光學性質的起因和本質、影響丁達爾效應的因素，并對其應用進行了探討。

一、丁達爾效應的內涵

丁達爾（Tyndall）在1869年發(fā)現，在讓一束匯聚的光射入溶膠時，從與光線前進垂直的方向可以觀察到一條光亮的“通路”，這種現象被稱為丁達爾效應。對于其他分散系統(tǒng)也會產生類似的現象，但是現象遠遠不如溶膠明顯。

溶膠中丁達爾效應源于光線照射到膠體粒子時發(fā)生的散射，這種散射作用因為膠體粒子直徑和可見光波長的匹配而顯得格外明顯?？梢姽獾牟ㄩL大約在400～750納米，而膠體粒子的直徑在1～100納米，小于可見光的波長而又不過小。如果粒子的直徑大于或接近入射光的波長，那么會發(fā)生反射和折射的現象;如果粒子的直徑太小，散射現象就會變得很微弱，不易觀察到。因此，丁達爾效應成為鑒別膠體和溶液的簡便方法。

丁達爾效應的另一特點是，當光通過膠體時，在不同的方向觀察光路會看到不同的顏色。以氯化銀和溴化銀的溶膠為例，在光前進的方向觀察為淺紅色，而在與光前進方向垂直的方向上觀察則為淡藍色，這是由于不同波長的光散射程度不同所致。

二、影響丁達爾效應的因素

在不同條件下，溶膠的丁達爾效應中光的顏色和光強會隨之發(fā)生變化。影響顏色的因素有系統(tǒng)的化學結構、溶膠膠體粒子的大小等;影響光強的因素有入射光的光強、波長，膠體粒子的大小、濃度以及分散相和分散介質的折射率等，這些影響因素與散射光光強的關系可以用瑞利（Rayleigh）方程來描述。

（一）光的顏色

透射光的顏色主要取決于系統(tǒng)對特定波段的光的吸收，這種對光的選擇性主要取決于系統(tǒng)的化學結構。如果溶膠對可見光的各波段的吸收都很弱，并且吸收大致相同，溶膠就表現為無色;如果溶膠對可見光中某一特定波長的光有較強的選擇性吸收，則光透過后將呈現該波長的補色光的顏色。

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。一般來說，隨著溶膠粒子的增大，散射增強，系統(tǒng)的最大吸收峰紅移，溶膠的顏色向短波長方向移動。以金溶膠為例，粒子很小時金溶膠為紅色，吸收峰在500納米左右，這時散射很弱;粒子較大時散射增強，系統(tǒng)的最大吸收峰波長向長波長方向移動，金溶膠逐漸由紅色變?yōu)樗{色。

（二）散射光的光強

散射光的光強可以用瑞利公式描述：

公式中K為與分散相和分散介質有關的常數，是單位體積中的粒子數，V是單個粒子的體積，和是入射光的波長和強度。由此方程可以看出，散射光的強度和入射光波長的四次方成反比，因此入射光的波長越短，散射作用越強。這導致從側面和透過方向看光的顏色不同。比如在用白光照射硫的溶膠時，從側面看到的散射光呈藍紫色，而透過光為橙紅色。

三、丁達爾效應的應用：暗視野顯微鏡

除了用于分辨膠體和溶液外，溶膠的丁達爾效應還可以用來觀察膠體粒子。光學顯微鏡能辨別的最小極限約為200納米，無法用于觀察直徑在100納米以下的膠體粒子，但利用丁達爾效應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觀察丁達爾效應。用強光從側面照射溶膠，然后在黑暗的背景上進行觀察。由于散射作用，膠粒成為閃閃發(fā)光的光點，可以清楚地看到膠粒的布朗運動。

然而，暗視野顯微鏡實際上沒有真正提高顯微鏡的分辨率，它觀察的只是溶膠粒子對光線散射后的發(fā)光點而非粒子本身，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，我們可以通過一些手段間接地近似得知粒子的性質，比如可以通過假設粒子為球形來估算其體積，可以通過粒子是否有閃光現象來判斷其形狀是否對稱等。在更多情況下，暗視野顯微鏡被用來觀察膠體粒子的運動，如聚沉過程、沉降速度以及電泳現象等。

在醫(yī)學中，暗視野顯微鏡也有很多應用。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膜、在牙科診斷中觀察牙周炎等疾病均有較好的效果。

中學課本上，關于膠體的光學性質只是簡短的內容介紹，經過對溶膠及其丁達爾效應擴展研究，會對溶膠的性質及丁達爾效應有更深的理解。金膠體僅僅因為膠體粒子大小的不同，顏色就能表現出如此豐富的變化，了解這種變化和它的本質原因是一件令人興奮的事情。中學生學習時如果有相應的介紹，會感受到很多的物理、化學的趣味性，豐富很多課本中的內容，開闊學生的視野，啟發(fā)中學生認識到，課本外還有廣闊的知識海洋，應當廣泛閱讀，豐富自己。

參考文獻：

[1]朱文濤，王軍民，陳琳.簡明物理化學[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]傅獻彩，沈文霞，姚天楊.物理化學（第五版）下冊[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]劉躍，武麗萍，趙華文.金溶膠用于膠體性質研究實驗改進的探索[J].化學教育，2017，38（3）：26-29.

[4]劉廷，王瑤，王宜強，等.暗視野顯微鏡在眼科實驗研究中的應用[J].眼科新進展，2009，29（11）：808-810.

編輯 魯翠紅