对丁达尔效应的研究
2022-06-08
摘要：丁达尔效应实验引入激光笔作光源已成为教师广泛采用的方法，然而由于激光的特殊性，实验中出现的一些问题也随之增多，文章对这些问题进行了实验对照和理论研究，得出了一般体系都有光散射现象，只是强弱不同，并对这种差异进行了理论分析，同时对黑暗中一些体系的光散射以及光辐射等疑难问题进行了理论研究。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：分散系；丁达尔效应；光散射；发射光谱频移
文章编号：1005–6629（2014）1–0044–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
丁达尔效应是胶体分散系的一种重要的光学性质，这种光学性质也是中学教师关于胶体性质和胶体分散系鉴别教学的重点内容，特别是近几年来以激光笔为光源的丁达尔效应实验的结果更是引起了人们广泛的关注，其中一些研究成果引人瞩目[1，2]，但是仍有很多问题需要在实验的基础上，进行深入的理论研究。
1 分散体系的光散射实验
为了全面准确地把握丁达尔效应产生的原因，我们对常见的一些溶剂、不同的分散系采用不同的光源进行实验，盛装药品的玻璃仪器均为50mL小烧杯，三色激光笔（50mw）（波长：红/650nm，绿/532nm，蓝紫/405nm）；绿色激光笔（200mw）（波长532nm±10）。实验结果如表1所示。
实验结果表明以不同激光笔为光源的丁达尔效应实验展示了和以往人们关于丁达尔效应实验现象不同的诸多方面：（1）大多数不同的体系均有光亮的通路，有强弱之分；（2）功率高的绿色激光笔几乎对所有分散系形成光亮通路且可透过；（3）纯水也有程度不同的光亮通路；（4）对于溶液而言正常光线下是微弱光亮通路或没有光亮通路，但是在黑暗中确是较明显的光亮通路；蒸馏水也一样；而光亮通路（垂直于光的入射方向观察的结果）的颜色以及透过光或光斑（透过分散系在背景墙上形成的光点）的颜色也成为人们研究的另一方面。对此我们认为，上面表1、2说明发出不同颜色激光的激光笔给丁达尔效应实验带来了极大的方便，但是也出现了复杂情况，因此结合化学实验以及理论研究对丁达尔效应实验进行深入的研究是十分必要的，以下是我们根据光散射理论[3]、常见分散系分散质微粒大小之间的关系[4]进行的有关研究。
2 实验结果的讨论
表1、2展示的实验内容是一些具有代表性体系的丁达尔效应，但是实验结果却和教科书的一些内容有些出入，这些实验结果也是一些教师以及学生心中疑惑的问题，因此有必要对实验现象加以理论分析。
2.1 实验教学中应关注的问题
研究实验结果之前对散射理论以及相关问题做必要的梳理是搞好实验分析的重要前提，也是深刻理解胶体分散系的必然要求，对此分析如下：
（1）胶体分类中只有疏液胶体具有全面的胶体性质，亲液胶体以及缔合胶体严格讲和疏液胶体具有本质区别。
（2）胶体的分类是相对的，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胶体性质[5]。
（3）体系微粒对光的散射是广泛存在的，散射的原因不同结果也不同，胶体分散系可能没有丁达尔效应，非胶体体系也可能有丁达尔效应，一般看来胶体分散系的丁达尔效应比较强[6]。
（4）光亮通路的颜色及原因、入射光、散射光、透射光性质、溶胶颜色等问题应该引起教师的关注。
（5）观察光亮通路的最佳位置应该引导学生实验研究并加以总结。
2.2 分散体系光散射实验结果分析
2.2.1 CCl4（l）、C6H6（l）、H2O（l）的光散射
这三种液体的实验结果表明有微弱的丁达尔现象，依据Rayleigh散射理论如n1=n2则应该无散射现象，但是依据Debye散射理论观点，由于分子的热运动会引起液体密度的涨落，局部区域密度的涨落会引起折射率的变化，从而引起系统的光学不均匀性而引起光散射，由于一定温度下分子的热运动变化不大，因此液体密度的变化也应该很微弱，所以这种散射也应该很微弱，另外CCl4分子间的卤键、C6H6分子间π-π以及C-H…π作用，H2O分子之间的氢键等弱相互作用都可能促成小分子向大分子的聚集，实现进入1～100 nm而产生微弱的丁达尔现象也是很重要的因素，例如研究表明H2O分子之间通过氢键确实可以形成纳米水，纳米水分子的大小在2～100 nm之间[7]。
2.2.2 医用酒精、CuSO4（饱和）、NaCl（饱和）的光散射
这三种液体的实验结果表明有微弱的丁达尔现象，只是CuSO4（饱和）对绿色或蓝紫色激光的丁达尔现象强些，依据Debye散射理论观点医用酒精、NaCl（饱和）的微弱丁达尔现象应该来自溶液中的溶剂密度的涨落，其次是溶质的浓度的涨落；而CuSO4（饱和）比较特殊，一是对红色激光没有通路，其原因是由于CuSO4（饱和）是蓝绿色的，说明其溶液对红光有吸收作用，所以没有光亮通路，二是CuSO4（饱和）对蓝紫色或绿色激光的散射比医用酒精、NaCl（饱和）强一些，这可能是在硫酸铜溶液中存在如下平衡[8]：
CuSO4+2H2O Cu（OH）2+H2SO4
CuSO4+Cu（OH）2 Cu2（OH）2SO4
由于难溶物Cu2（OH）2SO4的生成，可能形成疏水胶体，特别是在加热硫酸铜的情况下，这种疏水溶胶的浓度可以期望达到理想的程度。
2.2.3 豆浆、牛奶的光散射
实验结果表明浓的豆浆或牛奶对三种激光没有光亮通路，只是在激光入射点靠近液面处能观察到近圆形的散射光；极稀时才对三种激光形成光亮的通路；对于这两种分散系一般专业书籍中认为是乳浊液[9]，而高中教材中认为豆浆是胶体，据此很多教师或学生认为牛奶和豆浆类似，也应该为胶体，据此我们查阅了豆浆、牛奶的有关组成的信息，情况如下。
前面的分析说明四者颜色的关系比较复杂，把握四者颜色之间的关系对于引导学生观察，培养学生观察能力很重要，对此总结如下： （1）如果入射激光颜色和分散系颜色互补，白天则可能没有光亮通路，也可能没有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（胶体）（蓝紫色激光）、硫酸铜（饱和）（红色激光）；但是如果分散质的浓度比较小，尽管入射光颜色和分散系颜色互补[26]，这时也可能形成和入射光颜色一致的散射光和透射光（光斑），红色激光笔照射稀的硫酸铜溶液的实验现象就是这样。
（2）如果入射激光照射到无色透明的胶体分散系上，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样，如果激光照射到有色胶体分散系上且胶体分散系颜色和激光颜色不互补，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样。
（3）如果入射光为自然光，胶体分散系透明有颜色，则自然光中和胶体颜色互补的颜色被吸收，胶体本身的颜色被散射。
（4）如果入射光为自然光，胶体分散系为无色透明，则这时散射光为蓝紫色，透射光为黄色，具有互补性，例如硅酸溶胶的丁达尔效应实验的散射光和透射光就是这样。
（5）当一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向观察到光辐射的强度与入射光波长（λ）以及微粒尺寸大小（d）有关，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研
由公式可知，散射光强度i与入射光波长的四次方成反比，波长愈短，散射愈强；散射光强度与粒子体积V的平方成正比，这说明粒子尺度对光散射的重要性；散射光强度与单位体积内的粒子数N成正比，分散相粒子与分散介质的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈强。值得注意的是，如果胶体胶粒的浓度较大或胶体粒子在体系内排列较整齐时，每个粒子所产生的散射光相互干涉，可使散射光消失。
4 思考及启示
高中教材采用了硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体对比的实验方法进行了实验教学，从目前的实验效果看并不好，因为当采用绿色或蓝紫色激光时，硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体两者都有明显的丁达尔现象。我们认为作为课堂演示实验应该具有稳定的演示结论，而硫酸铜溶液不具备演示结论的稳定性，用红色激光没有丁达尔现象而用绿色或蓝紫色激光就有，这种情况容易使教学效果打折扣。所以根据表2如果把硫酸铜溶液换成医用酒精，这时即使采用不同颜色的激光，也会出现教材上描述的溶液有微弱丁达尔现象的结论。另外对配好的溶液而言减少对其扰动或放置一定时间后再做丁达尔效应实验并且和胶体分散系对比效果较好；另一方面由于激光技术的普及，各种激光颜色的激光笔进入家庭，使得各种情况的丁达尔效应实验现象广泛进入学生的视野，由此引起的问题是学生对丁达尔效应的各种疑问，这不能不说对教师的教学带来了新的问题。因此在这样的背景下深入研究丁达尔效应以及相关的理论问题对教师搞好化学实验教学具有重要的启示。
参考文献：
[1]刘文芳，杨芳.探究如何更清楚地观察到豆浆的丁达尔效应[J].化学教育，2009，30（8）：58～61.
[2]郑志信.对“红光照射硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体实验”的探究[J].化学教育，2010，31（7）：76～77.
[3][6][10][13][21]王思玲，苏德森.胶体分散药物制剂[M].北京：人民卫生出版社，2006：188～354.
[4][5][9][11][14][16]沈钟，赵振国，康万利.胶体与表面化学（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2012：2～52.
[7]庞小峰.在水中的纳米水分子的发现和它的特点及实验证实[J].原子与分子物理学报，2006，（4）：1～3.
[8][20]刘怀乐.中学化学教学思维[M].重庆：重庆出版社，2009：44～46.
[12]常敏.牛奶质量光学检测的作用机理及影响因素研究[D].天津：天津大学硕士学位论文，2006：12～27.
[15]黄友如，华欲飞，裘爱泳.光散射及其在大豆蛋白粒度分析中应用[J].粮食与油脂，2003，（12）：14～16.
[17]严宣申.制备氢氧化铁胶体[J].化学教育，2006，27（8）：33～38.
[18]吴秀艳，吴立新.铁系黄色颜料的制造[J].辽宁化工，1996，（1）：19.
[19][25]樊美公，姚建年，佟振合.分子光化学与光功能材料科学[M].北京：科学出版社，2009：29～825.
[22]刘一星，余亚斌，张丽等.纳米体系中发光能隙展宽的研究[J].物理学报，2008，57（11）：6754.
[23]陈力勤，钟淮真，陈日耀等.α-Fe2O3-TiO2/SA复合半导体薄膜的制备及光催化性能的研究[J].电化学，2004，10（4）：452～458.
[24]宋国利，刘慧英，孙凯霞等.纳米ZnO胶体可见光发射机制的研究[J].发光学报，2003，24（4）：350～351.
[26]陈福，武丽华，赵恩录等.玻璃颜色概论[M].北京：化学工业出版社，2009：1.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：分散系；丁达尔效应；光散射；发射光谱频移
文章编号：1005–6629（2014）1–0044–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
丁达尔效应是胶体分散系的一种重要的光学性质，这种光学性质也是中学教师关于胶体性质和胶体分散系鉴别教学的重点内容，特别是近几年来以激光笔为光源的丁达尔效应实验的结果更是引起了人们广泛的关注，其中一些研究成果引人瞩目[1，2]，但是仍有很多问题需要在实验的基础上，进行深入的理论研究。
1 分散体系的光散射实验
为了全面准确地把握丁达尔效应产生的原因，我们对常见的一些溶剂、不同的分散系采用不同的光源进行实验，盛装药品的玻璃仪器均为50mL小烧杯，三色激光笔（50mw）（波长：红/650nm，绿/532nm，蓝紫/405nm）；绿色激光笔（200mw）（波长532nm±10）。实验结果如表1所示。
实验结果表明以不同激光笔为光源的丁达尔效应实验展示了和以往人们关于丁达尔效应实验现象不同的诸多方面：（1）大多数不同的体系均有光亮的通路，有强弱之分；（2）功率高的绿色激光笔几乎对所有分散系形成光亮通路且可透过；（3）纯水也有程度不同的光亮通路；（4）对于溶液而言正常光线下是微弱光亮通路或没有光亮通路，但是在黑暗中确是较明显的光亮通路；蒸馏水也一样；而光亮通路（垂直于光的入射方向观察的结果）的颜色以及透过光或光斑（透过分散系在背景墙上形成的光点）的颜色也成为人们研究的另一方面。对此我们认为，上面表1、2说明发出不同颜色激光的激光笔给丁达尔效应实验带来了极大的方便，但是也出现了复杂情况，因此结合化学实验以及理论研究对丁达尔效应实验进行深入的研究是十分必要的，以下是我们根据光散射理论[3]、常见分散系分散质微粒大小之间的关系[4]进行的有关研究。
2 实验结果的讨论
表1、2展示的实验内容是一些具有代表性体系的丁达尔效应，但是实验结果却和教科书的一些内容有些出入，这些实验结果也是一些教师以及学生心中疑惑的问题，因此有必要对实验现象加以理论分析。
2.1 实验教学中应关注的问题
研究实验结果之前对散射理论以及相关问题做必要的梳理是搞好实验分析的重要前提，也是深刻理解胶体分散系的必然要求，对此分析如下：
（1）胶体分类中只有疏液胶体具有全面的胶体性质，亲液胶体以及缔合胶体严格讲和疏液胶体具有本质区别。
（2）胶体的分类是相对的，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胶体性质[5]。
（3）体系微粒对光的散射是广泛存在的，散射的原因不同结果也不同，胶体分散系可能没有丁达尔效应，非胶体体系也可能有丁达尔效应，一般看来胶体分散系的丁达尔效应比较强[6]。
（4）光亮通路的颜色及原因、入射光、散射光、透射光性质、溶胶颜色等问题应该引起教师的关注。
（5）观察光亮通路的最佳位置应该引导学生实验研究并加以总结。
2.2 分散体系光散射实验结果分析
2.2.1 CCl4（l）、C6H6（l）、H2O（l）的光散射
这三种液体的实验结果表明有微弱的丁达尔现象，依据Rayleigh散射理论如n1=n2则应该无散射现象，但是依据Debye散射理论观点，由于分子的热运动会引起液体密度的涨落，局部区域密度的涨落会引起折射率的变化，从而引起系统的光学不均匀性而引起光散射，由于一定温度下分子的热运动变化不大，因此液体密度的变化也应该很微弱，所以这种散射也应该很微弱，另外CCl4分子间的卤键、C6H6分子间π-π以及C-H…π作用，H2O分子之间的氢键等弱相互作用都可能促成小分子向大分子的聚集，实现进入1～100 nm而产生微弱的丁达尔现象也是很重要的因素，例如研究表明H2O分子之间通过氢键确实可以形成纳米水，纳米水分子的大小在2～100 nm之间[7]。
2.2.2 医用酒精、CuSO4（饱和）、NaCl（饱和）的光散射
这三种液体的实验结果表明有微弱的丁达尔现象，只是CuSO4（饱和）对绿色或蓝紫色激光的丁达尔现象强些，依据Debye散射理论观点医用酒精、NaCl（饱和）的微弱丁达尔现象应该来自溶液中的溶剂密度的涨落，其次是溶质的浓度的涨落；而CuSO4（饱和）比较特殊，一是对红色激光没有通路，其原因是由于CuSO4（饱和）是蓝绿色的，说明其溶液对红光有吸收作用，所以没有光亮通路，二是CuSO4（饱和）对蓝紫色或绿色激光的散射比医用酒精、NaCl（饱和）强一些，这可能是在硫酸铜溶液中存在如下平衡[8]：
CuSO4+2H2O Cu（OH）2+H2SO4
CuSO4+Cu（OH）2 Cu2（OH）2SO4
由于难溶物Cu2（OH）2SO4的生成，可能形成疏水胶体，特别是在加热硫酸铜的情况下，这种疏水溶胶的浓度可以期望达到理想的程度。
2.2.3 豆浆、牛奶的光散射
实验结果表明浓的豆浆或牛奶对三种激光没有光亮通路，只是在激光入射点靠近液面处能观察到近圆形的散射光；极稀时才对三种激光形成光亮的通路；对于这两种分散系一般专业书籍中认为是乳浊液[9]，而高中教材中认为豆浆是胶体，据此很多教师或学生认为牛奶和豆浆类似，也应该为胶体，据此我们查阅了豆浆、牛奶的有关组成的信息，情况如下。
前面的分析说明四者颜色的关系比较复杂，把握四者颜色之间的关系对于引导学生观察，培养学生观察能力很重要，对此总结如下： （1）如果入射激光颜色和分散系颜色互补，白天则可能没有光亮通路，也可能没有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（胶体）（蓝紫色激光）、硫酸铜（饱和）（红色激光）；但是如果分散质的浓度比较小，尽管入射光颜色和分散系颜色互补[26]，这时也可能形成和入射光颜色一致的散射光和透射光（光斑），红色激光笔照射稀的硫酸铜溶液的实验现象就是这样。
（2）如果入射激光照射到无色透明的胶体分散系上，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样，如果激光照射到有色胶体分散系上且胶体分散系颜色和激光颜色不互补，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样。
（3）如果入射光为自然光，胶体分散系透明有颜色，则自然光中和胶体颜色互补的颜色被吸收，胶体本身的颜色被散射。
（4）如果入射光为自然光，胶体分散系为无色透明，则这时散射光为蓝紫色，透射光为黄色，具有互补性，例如硅酸溶胶的丁达尔效应实验的散射光和透射光就是这样。
（5）当一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向观察到光辐射的强度与入射光波长（λ）以及微粒尺寸大小（d）有关，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研
由公式可知，散射光强度i与入射光波长的四次方成反比，波长愈短，散射愈强；散射光强度与粒子体积V的平方成正比，这说明粒子尺度对光散射的重要性；散射光强度与单位体积内的粒子数N成正比，分散相粒子与分散介质的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈强。值得注意的是，如果胶体胶粒的浓度较大或胶体粒子在体系内排列较整齐时，每个粒子所产生的散射光相互干涉，可使散射光消失。
4 思考及启示
高中教材采用了硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体对比的实验方法进行了实验教学，从目前的实验效果看并不好，因为当采用绿色或蓝紫色激光时，硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体两者都有明显的丁达尔现象。我们认为作为课堂演示实验应该具有稳定的演示结论，而硫酸铜溶液不具备演示结论的稳定性，用红色激光没有丁达尔现象而用绿色或蓝紫色激光就有，这种情况容易使教学效果打折扣。所以根据表2如果把硫酸铜溶液换成医用酒精，这时即使采用不同颜色的激光，也会出现教材上描述的溶液有微弱丁达尔现象的结论。另外对配好的溶液而言减少对其扰动或放置一定时间后再做丁达尔效应实验并且和胶体分散系对比效果较好；另一方面由于激光技术的普及，各种激光颜色的激光笔进入家庭，使得各种情况的丁达尔效应实验现象广泛进入学生的视野，由此引起的问题是学生对丁达尔效应的各种疑问，这不能不说对教师的教学带来了新的问题。因此在这样的背景下深入研究丁达尔效应以及相关的理论问题对教师搞好化学实验教学具有重要的启示。
参考文献：
[1]刘文芳，杨芳.探究如何更清楚地观察到豆浆的丁达尔效应[J].化学教育，2009，30（8）：58～61.
[2]郑志信.对“红光照射硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体实验”的探究[J].化学教育，2010，31（7）：76～77.
[3][6][10][13][21]王思玲，苏德森.胶体分散药物制剂[M].北京：人民卫生出版社，2006：188～354.
[4][5][9][11][14][16]沈钟，赵振国，康万利.胶体与表面化学（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2012：2～52.
[7]庞小峰.在水中的纳米水分子的发现和它的特点及实验证实[J].原子与分子物理学报，2006，（4）：1～3.
[8][20]刘怀乐.中学化学教学思维[M].重庆：重庆出版社，2009：44～46.
[12]常敏.牛奶质量光学检测的作用机理及影响因素研究[D].天津：天津大学硕士学位论文，2006：12～27.
[15]黄友如，华欲飞，裘爱泳.光散射及其在大豆蛋白粒度分析中应用[J].粮食与油脂，2003，（12）：14～16.
[17]严宣申.制备氢氧化铁胶体[J].化学教育，2006，27（8）：33～38.
[18]吴秀艳，吴立新.铁系黄色颜料的制造[J].辽宁化工，1996，（1）：19.
[19][25]樊美公，姚建年，佟振合.分子光化学与光功能材料科学[M].北京：科学出版社，2009：29～825.
[22]刘一星，余亚斌，张丽等.纳米体系中发光能隙展宽的研究[J].物理学报，2008，57（11）：6754.
[23]陈力勤，钟淮真，陈日耀等.α-Fe2O3-TiO2/SA复合半导体薄膜的制备及光催化性能的研究[J].电化学，2004，10（4）：452～458.
[24]宋国利，刘慧英，孙凯霞等.纳米ZnO胶体可见光发射机制的研究[J].发光学报，2003，24（4）：350～351.
[26]陈福，武丽华，赵恩录等.玻璃颜色概论[M].北京：化学工业出版社，2009：1.