チンダル効果

チンダル効果は、非常に微細な懸濁液（ゾル）などのコロイド内の粒子による光の散乱です。チンダル散乱としても知られ、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、そのため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ストロークマシンから排出される煙に時々見られる青色が挙げられます。これらの煙は、燃焼したエンジンオイルから生成されます。^{[1]同じ効果は}タバコの煙でも観察され、その微粒子も青色光を優先的に散乱します。

チンダル効果では、より長い波長はより多く透過し、より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の範囲、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適用可能であり、例えば、チンダル効果は比濁計で使用され、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決定します。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]

この現象を発見する前、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。そ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に浸すことでした。^[2] 1860年代に、ティンダルは光を使った多くの実験を行い、さまざまなガスや液体に光線を当てて結果を記録しました。そうする中で、ティンダルは、徐々に管に煙を入れ、光線を当てると、光線は管の側面からは青く見え、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AGに勤めていたリチャード・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に当て、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決定することができました。この研究はジグモンディのノーベル化学賞に直接つながりました。^{[4] [5]}

レイリー散乱は、光散乱粒子が光の波長よりも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。^[6]レイリーの式を満たす粒子の分散では、粒子サイズはおよそ 40 ナノメートル未満 (可視光の場合) である必要があり、^[要出典]粒子は個々の分子である可能性があります。^[6] 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^[7]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度が高くなります。^[要出典]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。 コロイド粒子が球状である場合、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。 ^{[6]複雑な形状の粒子による} 光の散乱はT行列法によって記述される。^[8]

青い目の色は、虹彩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、直径約0.6マイクロメートルの小さな粒子が多数含まれています。これらの粒子は、虹彩の前層または間質の線維血管構造内に細かく浮遊しています。^[9]茶色の虹彩の中には、同じ層がありますが、メラニンが多く含まれています。適度な量のメラニンにより、ヘーゼル、ダークブルー、グリーンの目になります。

粒子とメラニンの両方を含む目では、メラニンが光を吸収します。メラニンがない場合、層は半透明です(つまり、通過する光は粒子によってランダムに拡散散乱されます)。この半透明層に入る光の顕著な部分は、放射状の散乱経路を経て再び現れます。つまり、後方散乱があり、光波が外気に向かって方向転換されます。

散乱は波長が短いほど大きくなります。波長が長いほど、黄色の光はそのままの経路で半透明の層をまっすぐ通過し、虹彩のさらに奥にある次の層に当たります。この層は、上皮またはぶどう膜と呼ばれる、茶色がかった黒色の光吸収体です。粒子によって散乱される散乱青色光の明るさや強度は、この層と、間質内の粒子の混濁媒体によって決まります。

したがって、より長い波長は、より短い波長ほど（散乱によって）外気に反射されません。より短い波長は青い波長であるため、目から出る光に青い色合いが生じます。^{[10] [11]}青い虹彩は、濁った媒体を介した光の干渉のみに依存して色を生成するため、構造色の一例です。

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方法で解剖学的に互いに異なります。^{[引用が必要]}両方の種類の目の色は、「混ざり合って」いるにもかかわらず、機能的に別々のままである可​​能性があります。

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）になります。雲粒は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、これはチンダル散乱ではなくミー散乱を示します。 ^[要出典]日中の空が雲のないとき、空の色はチンダル散乱ではなくレイリー散乱のため青くなります。これは、散乱粒子が可視光の波長よりもはるかに小さい空気分子であるためです。^{[12]同様に、}チンダル効果という用語は、空気中の大きな巨視的 塵粒子による光散乱に誤って適用されています。これは、それらの粒子が大きいため、チンダル散乱を示さないためです。^[1]

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  霧拡散信号機^[1]
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  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]
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  空気中の塵はチンダル散乱ではなくミー散乱を示す
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  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
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  ローマの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チンダル効果。オクルスはパンテオン内の唯一の光源です。
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  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されるため、青く見える^[1]

• 光の散乱
• 透明性と半透明性
• 超顕微鏡