チンダル効果
青みがかった乳白色のガラス。その影にオレンジ色の光が輝いている。
乳白色ガラスのティンダル効果：横から見ると青く見えるが、透過するとオレンジ色の光が輝く。[ 1 ]

チンダル効果は、非常に微細な懸濁液（ゾル）などのコロイド中の粒子による光の散乱です。チンダル散乱とも呼ばれるこの現象は、散乱光の強度が波長の4乗に反比例する点でレイリー散乱に似ており、青色光は赤色光よりもはるかに強く散乱します。日常生活での例としては、オートバイ、特に2ストロークエンジンの排気ガスに見られる青色が挙げられます。これらの排気ガスは、燃焼したエンジンオイルから発生する粒子によって生じます。[ 1 ]同じ効果はタバコの煙でも観察され、タバコの煙の微粒子も青色光を優先的に散乱させます。

チンダル効果では、長い波長はより多く透過し、短い波長は散乱によりより拡散反射します。[ 1 ]チンダル効果は、光散乱粒子状物質が光透過性媒体中に分散している場合に見られ、個々の粒子の直径はおよそ40～900 nm 、つまり可視光の波長（400～750 nm）よりやや短いかそれに近い値になります。

これは特にコロイド混合物に応用可能であり、例えば、チンダル効果は比濁計でエアロゾル[ 1 ]やその他のコロイド物質中の粒子のサイズと密度を測定するのに利用されています。この現象の研究は、超顕微鏡と濁度測定法の発明に直接つながりました。

この現象を初めて広範囲に研究した19世紀の物理学者ジョン・ティンダルにちなんで名付けられました。[ 1 ]

歴史

この現象を発見する以前、ティンダルは主に分子レベルでの放射熱の吸収と放出に関する研究で知られていました。この分野での彼の研究では、浮遊する塵やその他の微粒子をすべて除去した空気を使用する必要があり、これらの微粒子を検出する最良の方法は空気を強い光で包むことでした。[ 2 ] 1860年代に、ティンダルは光を使った多くの実験を行い、様々な気体や液体に光線を照射して結果を記録しました。その際、ティンダルは管に徐々に煙を満たし、光線を照射すると、光線は管の側面からは青く見えるが、遠端からは赤く見えることを発見しました。[ 3 ]この観察により、ティンダルは後に彼の名前が付けられる現象を初めて提案することができました。

1902年、カール・ツァイス社に勤務していたリヒャルト・アドルフ・ジグモンディ（1865–1929）とヘンリー・ジーデントップ（1872–1940）によって超顕微鏡が開発されました。チンダル効果への好奇心から、彼らは明るい太陽光を照明として用いることに成功し、クランベリーガラスの色を生み出す4nmの小さな金ナノ粒子の大きさを特定することに成功しました。この研究は、ジグモンディのノーベル化学賞受賞に直接つながりました。[ 4 ] [ 5 ]

青いアイリス

メラニンを含む青い虹彩

青い目の色は、虹彩内にある濁った半透明の層による光のチンダル散乱によるもので、この層には直径約0.6マイクロメートルの無数の微粒子が含まれています。これらの微粒子は、虹彩の前層、すなわち実質の線維血管構造内に微細に浮遊しています。 [ 6 ]茶色の虹彩にも同様の層がありますが、メラニン含有量が多いのが特徴です。適度な量のメラニンは、ヘーゼル、ダークブルー、グリーンの目を作ります。

粒子とメラニンの両方を含む眼では、メラニンが重要な吸収媒体として機能し、入射光を層内で効果的に吸収することで、光の反射と散乱を大幅に低減します。メラニンが存在しない層は半透明であり、入射光は十分に吸収されず、主に媒体内の微小粒子と相互作用し、ランダムで等方的に分布した拡散散乱を引き起こします。このような条件下では、この半透明層に入射した光のかなりの部分が放射状の散乱経路を経て再出射します。つまり、後方散乱、つまり光波が大気中へと方向転換する現象が発生します。

散乱は波長が短いほど大きくなります。波長が長い光は、黄色の光はそのまま透過する傾向があり、虹彩の奥にある次の層、つまり上皮層またはブドウ膜と呼ばれる光吸収層に入射します。この層は茶褐色を帯びた黒色をしています。粒子によって散乱される青色光の明るさ、つまり強度は、この層と、実質内の粒子からなる濁った媒質によって決まります。

そのため、長波長の光は短波長の光ほど（散乱によって）大気中に反射されません。短波長の光は青色の波長であるため、眼から出る光は青色を帯びます。[ 7 ] [ 8 ]青い虹彩は構造色の一例であり、濁った媒質を介した光の干渉のみによって色を生成します。

したがって、青い目と茶色の目は、濁った媒体とメラニンの違いにより、遺伝的には変化しないものの、解剖学的には互いに異なります。両方の目の色は、「混ざり合っている」にもかかわらず、機能的には区別することができます。

チンダル散乱とは異なる類似の現象

太陽光線はティンダル散乱ではなくミー散乱を呈する。

日中の空が曇っている場合、太陽光は雲の濁度層を通過し、地上で散乱した拡散光（太陽光線）となります。これは、雲粒が光の波長よりも大きく、すべての色をほぼ均等に散乱するため、チンダル散乱ではなくミー散乱を示します。同様に、大気中の大きなマクロな塵粒子による光散乱には「チンダル効果」という用語が誤って適用されています。これは、塵粒子のサイズが大きいため、チンダル散乱を示さないためです。[ 1 ]

昼間の雲のない空では、空はチンダル散乱ではなくレイリー散乱によって青く見えます。大気中の主な散乱体は窒素や酸素などの空気分子であり、これらの分子の特性寸法は可視光の波長よりもはるかに小さいため、レイリー散乱が適用される条件を満たしています。[ 9 ]

チンダル散乱のもう一つの現れは、氷河融解水が示す青色です。これは、浮遊粒子が可視スペクトルの短波長を優先的に後方散乱し、長波長を吸収する性質によるものです。乳白色の岩粉とチンダル効果による青色が組み合わさることで、融解水の流れによく見られる特徴的な「ターコイズブルー」が生まれます。実際の青色は、融解水中に浮遊する粒子サイズ全体にわたって、チンダル散乱を生じさせる粒子の相対的な存在量によって最終的に決まります（下表参照）。

可視光が受ける3つの主な散乱過程の比較
散乱プロセス粒子タイプ粒子サイズ結果として生じる効果
レイリー散乱空気分子（N 2とO 2）1ナノメートル未満空色の色合い
チンダル散乱懸濁液中のコロイド粒子50 nmから1 μm青色の散乱光
ミー散乱より大きな空気中の塵、または雲粒> 1マイクロメートルすべての色が均等に散らばっている

レイリー散乱との比較

レイリー散乱は、光散乱粒子が光の波長よりはるかに小さいことを要求する数式によって定義されます。[ 10 ]粒子の分散がレイリーの式を満たすためには、粒子サイズが約 40 ナノメートル未満 (可視光の場合) である必要があり、粒子は個別の分子である可能性があります。[ 10 ]コロイド粒子はより大きく、光の波長のサイズにおおよそ近いです。チンダル散乱、つまりコロイド粒子散乱[ 11 ]は、関係する粒子サイズが大きいため、レイリー散乱よりもはるかに強くなります。強度に対する粒子サイズ要因の重要性は、レイリー散乱の強度の数学的表現におけるその大きな指数からわかります。コロイド粒子が回転楕円体の場合、チンダル散乱は、光の波長のおおよそ近い粒子サイズを許容するミー理論に基づいて数学的に分析できます。 [ 10 ] 複雑な形状の粒子による光散乱はT行列法によって記述される。[ 12 ]

  • 霧散乱信号機[ 1 ]
  • 右側のコロイドはチンダル効果を示すが、溶液は示さない[ 1 ]
  • 空気中の塵はティンダル散乱ではなくミー散乱を示す
  • ティンダル効果により、観測所からのレーザーの経路が見えるようになる
  • ローマ、パンテオンのドームの頂上にあるオクルスによって生み出されるティンダル効果。オクルスはパンテオン内部の唯一の光源です。
  • 水に浮かんだ小麦粉は散乱光だけが目に届き、小麦粉の粒子によって赤色光よりも青色光が散乱するため、青色に見える[1]
    水に浮いた小麦粉は散乱光だけが目に届き、小麦粉の粒子によって赤色光よりも青色光が散乱されるため、青色に見える[ 1 ]。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e f g h iヘルメンシュタイン、アン・マリー（2020年2月3日）。 「ティンダル効果の定義と例」ThoughtCo。
  2. ^物理学教授アーサー・ホイットモア・スミスが1920年にアメリカの科学月刊誌に寄稿したティンダルの10ページの伝記で報告されている。オンラインで入手可能。
  3. ^ 「ジョン・ティンダルの青空観測装置」英国王立研究所2021年3月8日閲覧。
  4. ^ 「リヒャルト・アドルフ・ジグモンディ：コロイドの性質」ノーベル賞受賞記念講演集『化学 1922-1941』アムステルダム：エルゼビア出版社、1966年。
  5. ^マッペス、ティモ;ジャール、ノーバート。 Csaki、アンドレア。フォーグラー、ナディーン。ポップ、ユルゲン。フリッチェ、ヴォルフガング (2012)。 「1912 年の液浸超顕微鏡の発明 - ナノテクノロジーの誕生?」。アンゲワンテ・ケミー国際版。51 (45): 11208–11212。​​土井: 10.1002/anie.201204688。PMID 23065955。 
  6. ^青い目の色がどのようになるかについての詳細 [Mason, CW, Blue Eyes, American Journal of Physical Chemistry、第28巻、500-501ページ、1924年]
  7. ^チンダル効果が動物の青と緑の色をどのように作り出すかについての簡単な概要については、 uni-hannover.de を参照してください。
  8. ^ Sturm RA & Larsson M.、「ヒトの虹彩の色とパターンの遺伝学」、Pigment Cell Melanoma Res、22:544-562、2009年。
  9. ^スミス、グレン・S. (2005). 「人間の色覚と昼間の空の不飽和青色」. American Journal of Physics . 73 (7): 590–97 . Bibcode : 2005AmJPh..73..590S . doi : 10.1119/1.1858479 .
  10. ^ a b c「青空とレイリー散乱」 . HyperPhysics Concepts - Georgia State University . 2021年3月8日閲覧。
  11. ^ 「11.5 コロイド」 .化学 - コロイド. OpenStax. 2021年3月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年3月8日閲覧。
  12. ^ Wriedt, Thomas (2002). 「非軸対称粒子による光散乱計算におけるT行列法の使用：超楕円体および現実的な形状の粒子」 .粒子と粒子システム特性評価. 19 (4): 256– 268. doi : 10.1002/1521-4117(200208)19:4<256::AID-PPSC256>3.0.CO;2-8 . ISSN 1521-4117 . 
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