高中化学教材中的“丁达尔效应”研究

梁彦卿

丁达尔效应的知识初中化学课本中就已涉及，胶体的性质更是高中化学教材中的一个重要知识点，初高中教材更侧重于现象的介绍，而不是其本质原理。本文探究了溶胶光学性质的起因和本质、影响丁达尔效应的因素，并对其应用进行了探讨。

一、丁达尔效应的内涵

丁达尔（Tyndall）在1869年发现，在让一束汇聚的光射入溶胶时，从与光线前进垂直的方向可以观察到一条光亮的“通路”，这种现象被称为丁达尔效应。对于其他分散系统也会产生类似的现象，但是现象远远不如溶胶明显。

溶胶中丁达尔效应源于光线照射到胶体粒子时发生的散射，这种散射作用因为胶体粒子直径和可见光波长的匹配而显得格外明显。可见光的波长大约在400～750纳米，而胶体粒子的直徑在1～100纳米，小于可见光的波长而又不过小。如果粒子的直径大于或接近入射光的波长，那么会发生反射和折射的现象;如果粒子的直径太小，散射现象就会变得很微弱，不易观察到。因此，丁达尔效应成为鉴别胶体和溶液的简便方法。

丁达尔效应的另一特点是，当光通过胶体时，在不同的方向观察光路会看到不同的颜色。以氯化银和溴化银的溶胶为例，在光前进的方向观察为浅红色，而在与光前进方向垂直的方向上观察则为淡蓝色，这是由于不同波长的光散射程度不同所致。

二、影响丁达尔效应的因素

在不同条件下，溶胶的丁达尔效应中光的颜色和光强会随之发生变化。影响颜色的因素有系统的化学结构、溶胶胶体粒子的大小等;影响光强的因素有入射光的光强、波长，胶体粒子的大小、浓度以及分散相和分散介质的折射率等，这些影响因素与散射光光强的关系可以用瑞利（Rayleigh）方程来描述。

（一）光的颜色

透射光的颜色主要取决于系统对特定波段的光的吸收，这种对光的选择性主要取决于系统的化学结构。如果溶胶对可见光的各波段的吸收都很弱，并且吸收大致相同，溶胶就表现为无色;如果溶胶对可见光中某一特定波长的光有较强的选择性吸收，则光透过后将呈现该波长的补色光的颜色。

除此之外，溶胶粒子大小的不同也能引起颜色的变化，这是由于系统的散射而非吸收所引起的。一般来说，随着溶胶粒子的增大，散射增强，系统的最大吸收峰红移，溶胶的颜色向短波长方向移动。以金溶胶为例，粒子很小时金溶胶为红色，吸收峰在500纳米左右，这时散射很弱;粒子较大时散射增强，系统的最大吸收峰波长向长波长方向移动，金溶胶逐渐由红色变为蓝色。

（二）散射光的光强

散射光的光强可以用瑞利公式描述：

公式中K为与分散相和分散介质有关的常数，是单位体积中的粒子数，V是单个粒子的体积，和是入射光的波长和强度。由此方程可以看出，散射光的强度和入射光波长的四次方成反比，因此入射光的波长越短，散射作用越强。这导致从侧面和透过方向看光的颜色不同。比如在用白光照射硫的溶胶时，从侧面看到的散射光呈蓝紫色，而透过光为橙红色。

三、丁达尔效应的应用：暗视野显微镜

除了用于分辨胶体和溶液外，溶胶的丁达尔效应还可以用来观察胶体粒子。光学显微镜能辨别的最小极限约为200纳米，无法用于观察直径在100纳米以下的胶体粒子，但利用丁达尔效应原理制作的暗视野显微镜（darkfieldmicroscope;又称超显微镜，ultramicroscope）可以观察胶粒。

暗视野显微镜的原理是用普通显微镜来观察丁达尔效应。用强光从侧面照射溶胶，然后在黑暗的背景上进行观察。由于散射作用，胶粒成为闪闪发光的光点，可以清楚地看到胶粒的布朗运动。

然而，暗视野显微镜实际上没有真正提高显微镜的分辨率，它观察的只是溶胶粒子对光线散射后的发光点而非粒子本身，因此暗视野显微镜不能直接确切看到胶体微粒的大小和形貌。然而，我们可以通过一些手段间接地近似得知粒子的性质，比如可以通过假设粒子为球形来估算其体积，可以通过粒子是否有闪光现象来判断其形状是否对称等。在更多情况下，暗视野显微镜被用来观察胶体粒子的运动，如聚沉过程、沉降速度以及电泳现象等。

在医学中，暗视野显微镜也有很多应用。目前暗视野显微镜主要用于检查梅毒螺旋体或其他病原体，也有研究指出暗视野显微镜在眼科诊断中观察视网膜、在牙科诊断中观察牙周炎等疾病均有较好的效果。

中学课本上，关于胶体的光学性质只是简短的内容介绍，经过对溶胶及其丁达尔效应扩展研究，会对溶胶的性质及丁达尔效应有更深的理解。金胶体仅仅因为胶体粒子大小的不同，颜色就能表现出如此丰富的变化，了解这种变化和它的本质原因是一件令人兴奋的事情。中学生学习时如果有相应的介绍，会感受到很多的物理、化学的趣味性，丰富很多课本中的内容，开阔学生的视野，启发中学生认识到，课本外还有广阔的知识海洋，应当广泛阅读，丰富自己。

参考文献：

[1]朱文涛，王军民，陈琳.简明物理化学[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]傅献彩，沈文霞，姚天杨.物理化学（第五版）下册[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]刘跃，武丽萍，赵华文.金溶胶用于胶体性质研究实验改进的探索[J].化学教育，2017，38（3）：26-29.

[4]刘廷，王瑶，王宜强，等.暗视野显微镜在眼科实验研究中的应用[J].眼科新进展，2009，29（11）：808-810.

编辑 鲁翠红