틴달 효과

틴달 효과는 콜로이드나 매우 미세한 현수막에 있는 입자에 의해 빛을 산란시키는 것이다. 틴달 산란이라고도 하며, 산란된 빛의 세기가 파장의 제4의 힘에 반비례하여 푸른빛이 붉은 빛보다 훨씬 강하게 산란된다는 점에서 레일리 산란과 비슷하다. 일상에서 한 예로 오토바이가 내뿜는 연기, 특히 연소된 엔진 오일이 이러한 입자를 제공하는 2행정 기계에서 가끔 볼 수 있는 파란색을 들 수 있다.

틴달 효과에 따르면 긴 파장은 더 많이 전달되는 반면 짧은 파장은 산란을 통해 더 분산적으로 반사된다. 틴달 효과는 빛을 가리는 입자 지름이 40~900nm 범위, 즉 가시광선 파장(400~750nm)보다 다소 낮거나 가까운 거리에 있을 때 다른 빛 전달 매체에 분산될 때 나타난다.

특히 콜로이드 혼합물과 미세한 서스펜션이 적용된다. 예를 들어, 틴달 효과는 에어로졸 및 기타 콜로이드 물질의 입자의 크기와 밀도를 결정하기 위해 족족계에 사용된다(초경량 및 탁도계 참조).

이 현상을 광범위하게 처음 연구한 19세기 물리학자 존 틴달의 이름을 따서 지은 것이다.

디스커버리

이 현상을 발견하기 전에 존 틴달은 분자 수준에서 복사열을 흡수하고 방출하는 것에 대한 그의 연구로 주로 알려져 있었다. 그 지역에 대한 그의 조사에서는, 떠다니는 먼지와 다른 미립자들의 모든 흔적이 제거된 공기를 사용하는 것이 필요하게 되었고, 이러한 미립자들을 감지하는 가장 좋은 방법은 강렬한 빛으로 공기를 목욕시키는 것이었다.^[1] 1860년대에 존 틴달은 빛으로 여러 가지 가스와 액체를 통해 광선을 비추고 그 결과를 기록하는 실험을 했다. 틴달은 이를 통해 점차적으로 튜브에 연기를 채우고 그 사이로 한 줄기 빛줄기를 비출 때 빔이 튜브의 옆면에서는 파랗지만 맨 끝에서는 빨갛게 보이는 것을 발견했다.^[2] 이러한 관찰로 틴달은 나중에 자신의 이름을 갖게 될 현상을 먼저 제안할 수 있었다.

레일리 산란과 비교

레일리 산란은 빛의 파장보다 훨씬 작은 빛을 내는 입자를 필요로 하는 수학적 공식에 의해 정의된다.^[4] Rayleigh 공식에 적합한 입자의 분산을 위해서는 입자 크기가 약 40나노미터 이하가 되어야 하며 (가시광선의 경우)^{[citation needed]} 입자는 개별 분자일 수 있다.^[4] 콜로이드 입자는 더 크고, 빛의 파장 크기의 대략적인 근처에 있다. 틴달 산란, 즉 콜로이드 입자 산란은 관련된 입자^{[citation needed]} 크기가 더 크기 때문에 레일리 산란보다 훨씬 더 격렬하다.^[5] 강도에 대한 입자 크기 인자의 중요성은 레일리 산란 강도의 수학적 설명에 있는 큰 지수에서 확인할 수 있다. 콜로이드 입자가 스피로이드라면 틴달 산란은 빛의 파장 부근의 거친 입자 크기를 인정하는 미에 이론의 관점에서 수학적으로 분석할 수 있다.^[4] 복잡한 형태의 입자에 의한 빛의 산란은 T 매트릭스 방식으로 설명된다.^[6]

푸른 홍채

틴달은 홍채의 반투명 층으로 산란되어 눈 속의 푸른 홍채는 파랗다. 갈색과 검은 홍채는 멜라닌이 더 많은 것을 제외하고는 같은 층을 가지고 있다. 멜라닌은 빛을 흡수한다. 멜라닌이 없는 경우 층은 반투명하며(즉, 통과하는 빛이 무작위로 분산되어 분산되어 있다) 이 반투명층으로 들어오는 빛의 눈에 띄는 부분이 흩어진 경로를 통해 재등장한다. 즉, 백스캐터(backscatter)라는 것이 있는데, 빛의 파동이 바깥 공기로 되돌아가는 방향이다. 산란은 더 짧은 파장에서 더 큰 범위에서 일어난다. 더 긴 파장은 변경되지 않은 경로로 반투명 층을 직진하는 경향이 있고, 다음 층을 더 멀리 홍채에서 마주치는 경향이 있는데, 그것은 경량 흡수제다. 따라서 긴 파장은 짧은 파장만큼 다시 외기로 반사( 산란)되지 않음). 짧은 파장은 푸른 파장이기 때문에 이것은 눈에서 나오는 빛에 푸른 빛깔을 일으킨다.^[7][8] 파란 홍채는 색소와 대조적으로 구조적인 색상의 한 예다.

Tyndall 산란이 아닌 유사 현상

하늘이 흐리면 햇빛은 구름의 탁한 층을 통과하여 땅 위에 흩어지고 흩어지는 빛을 낸다. 이것은 구름 방울이 빛의 파장보다 크고 모든 색을 대략적으로 균등하게 분산시키기 때문에 틴달 산란 대신 미에 산란하는 것을 보여준다.^[9] 낮하늘이 구름 한 점 없을 때는 흩어진 입자가 가시광선의 파장보다 훨씬 작은 공기분자이기 때문에 틴달 산란 대신 레일리 산란으로 인해 하늘색이 파랗다.^[10] 마찬가지로 틴달 효과라는 용어는 공기 중에 있는 거대하고 거시적인 먼지 입자에 의한 빛 산란에도 잘못 적용되지만, 크기가 크기 때문에 틴달 비산을 나타내지 않는다.^[11]

참고 항목

• 빛 산란
• 레일리 산란
• 투명성과 투명성
• 극초단파

참조