أثر تيندال

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

أثر تيندال

اثر تيندال

Tyndall effect - Effet Tyndall

أثر تيندال

فادي قمر

الشكل (1) : مقارنة بين أنواع المحاليل المختلفة

الشكل (2) : المسار الضوئي ضمن محلول حقيقي (على اليمين ) و ضمن محلول غروي ( على اليسار ) ء

الشكل (3) : تشتت رايلي و تشتت مي عن جزيئات صغيرة و عم جزيئات كبيرة

أثر تيندال Tyndall effect هو تشتت الضوء عند مروره في بعض المحاليل بسبب كبر حجم الدقائق (الحبيبات) المذابة فيها، ودعي بهذا الاسم نسبة إلى الفيزيائي البريطاني جون تيندال الذي كان أول من قام بدراسته بعد اكتشاف هذا الأثر من قبل الفيزيائي الإنكليزي ميشيل فاراداي. يمكن الاستفادة من أثر تيندال في التمييز بين المحاليل المختلفة التي تقسم من حيث حجم دقائق المادة المذابة إلى ثلاثة أنماط ( الشكل 1 ) :

1- محاليل حقيقية: يكون أكبر أبعاد دقائق المادة المذابة أصغر من 1nm، ويصعب التمييز بين المادتين المذابة والمذيبة.

2- محاليل غروية: يبلغ بُعد الدقيقة من المادة المذابة بين 1nm و 1μ m، وتكون دقائق المادة المذابة منتشرة داخل المادة المذيبة، فهي غير ذائبة أو مترسبة في وسط الانتشار، ولكن يصعب أيضاً التمييز بين المادتين المذابة والمذيبة في هذه المحاليل.

3- محاليل المعلقات: خليط غير متجانس، بُعد الدقيقة فيها أكبر من 1mm، ويمكن ملاحظة تلك الدقائق بالعين المجردة كما يمكن ملاحظة ترسبها في الأسفل.

يتم التمييز بين المحاليل الغروية والحقيقية من خلال رؤية مسار شعاع ضوئي ما (شعاع ليزر مثلاً) مار فيها، ففي المحاليل الحقيقية (سائل نقي أو محلول رائق مثل محلول السكر في الماء موضوع داخل كأس زجاجية شفافة) لا يمكن رؤية هذا المسار لأن هذه المحاليل تشتت الضوء تشتيتاً ضعيفاً، في حين يمكن مشاهدته بوضوح في المحاليل الغروية إذا نظر إليها من اتجاه معامد للمسار( الشكل 2)

يُستفاد من أثر تيندال في التمييز بين المحاليل المختلفة، لكنه لا يمكن الاستفادة منه في حساب تركيز الدقائق في المحاليل الغروية نظراً لأن هذا النوع من التشتت يزداد طرداً وبشكل تكعيبي مع حجم الدقائق الغروية.

يُعد التشتت الناجم عن أثر تيندال في السوائل تشتتاً مرناً، وهو يشبه في فعله إلى حدٍ كبير ما تفعله ذرات الغبار من تشتيت لشعاع الضوء داخل حجرة مظلمة، ويطلق عليه اسم تشتت رايلي Rayleigh scattering. ويُشاهد في المواد الشفافة الغازية والصلبة المحتوية على تغيرات بالكثافة الضوئية أبعادها أصغر بكثير من طول موجة الضوء ، تتناسب شدته عند الزاوية θ عكساً مع القوة الرابعة لطول موجة الضوء وفق المعادلة:

حيث : شدة الضوء الوارد.

n عدد المولات في الحجم V.

N عدد أفوكادرو.

استقطابية الجسيم (وكلما كانت استقطابية الجسيم أو الدقيقة أكبر اكتسب عزم مزدوجة أكبر من الحقل الكهرطيسي للضوء الوارد)

r هي المسافة بين المشاهد والنقطة التي يحسب عندها التشتت.

λ طول موجة الضوء الوارد.

ويمكن باستعمال المعادلة السابقة إيضاح أن تشتت الضوء الأزرق أشدّ بكثير من تشتت الضوء الأحمر، وهذا ما يفسر سبب رؤية السماء باللون الأزرق.

يشبه أثر تيندال في فعله أيضاً تشتت مي Mie scattering الذي يظهر في المواد الشفافة الغازية والصلبة التي تساوي أبعاد تغيرات الكثافة الضوئية فيها طول موجة الضوء المشتت أو أكبر منها، أي أكبر من . وإن شدة تشتت مي لا تتعلق بطول موجة الضوء الوارد، فكل الأطوال الموجية، تتشتت بالقدر نفسه، وهذا ما يفسر اللون الأبيض للغيوم حيث يتشتت ضوء الشمس المركب عن قطيرات الماء بالقدر نفسه لكل الأطوال الموجية ومن ثم تتراكب ليظهر اللون الأبيض للغيوم، ولولا ذلك لكانت الغيوم غير مرئية لكون بخار الماء عديم اللون.

أما استقطابية الضوء وتوزع الشدات بين الأشعة الأمامية والأشعة المتجهة نحو الخلف فيتبع نسبة طول الموجة إلى نصف قطر الدقيقة بوصفها كروية، ويبين الشكل (3) مقارنة بين تشتتي رايلي ومي حيث يحافظ التشتت الأول على صدر الموجة المتشتت، في حين يسبب التشتت الثاني تشوهاً في صدر الموجة وانزياحات في الطور يصعب تحديدها.

مراجع للاستزادة:

- M. Alonso & E. J. Finn, Fundamental University Physics: Field And Waves, Addison-Wesley, 1971.

- E. Hecht & A. Zajac, Optics, Addison-Wesley, 1974.

- F. P. Jenkins & H. E. White, Fundamentals of Optics, McGraw-Hill Book, 1981.