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ティンダル効果は、非常に細かい懸濁液（ゾル）などのコロイド中の粒子による光の散乱です。ティンダル散乱とも呼ばれ、散乱光の強度が波長の4乗に反比例するという点でレイリー散乱に似ています。そのため、青色の光は赤色の光よりもはるかに強く散乱されます。日常生活における例としては、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あります。これは、燃焼したエンジンオイルがこれらの粒子を生成するためです。[ 1 ]同じ効果は、微細な粒子が青色の光を優先的に散乱するタバコの煙でも観察できます。
ティンダル効果では、波長の長い光はより多く透過し、波長の短い光は散乱によってより拡散反射されます。[ 1 ]ティンダル効果は、光散乱性の微粒子が光透過性媒体中に分散され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）よりやや小さいか、それに近い範囲です。
これは特にコロイド混合物に適用できます。たとえば、ティンダル効果は、エアロゾル[ 1 ]やその他のコロイド状物質中の粒子のサイズと密度を決定するために濁度計で使用されます。この現象の研究は、直接的に超顕微鏡と濁度測定法の発明につながりました。
この現象は、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。彼はこの現象を最初に広範囲に研究しました。[ 1 ]
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。その分野での彼の調査では、浮遊する塵やその他の微粒子の痕跡をすべて取り除いた空気を使用する必要が生じ、これらの微粒子を検出する最良の方法は、空気を強い光で照らすことでした。[ 2 ] 1860年代、ティンダルは光を使った多くの実験を行い、さまざまな気体や液体に光線を当てて結果を記録しました。その過程で、ティンダルは、管に徐々に煙を満たし、そこに光線を当てると、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が付けられることになる現象を初めて提唱することができました。
1902年、カールツァイスAGに勤務していたリチャード・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。チンダル現象への好奇心から、彼らは照明に明るい太陽光を使用し、クランベリー色のガラスを生成する4nmの小さな金ナノ粒子のサイズ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受賞に直接つながりました。[ 4 ] [ 5 ]
青い目の色は、虹彩にある約0.6マイクロメートルの小さな粒子が多数含まれる半透明の濁った媒体層によるティンダル散乱によるものです。これらの粒子は、虹彩のストロマまたは前層の線維血管構造内に微細に懸濁しています。 [ 6 ]茶色の虹彩にも同様の層がありますが、メラニン色素が多く含まれています。適度な量のメラニン色素によって、ヘーゼル色、濃い青色、緑色の目になります。
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働き、層内で入射光を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。メラニンがない場合、層は半透明になり、入射光は十分に吸収されず、主に媒体内の微粒子と相互作用し、ランダムで等方的に分布した拡散散乱が生じます。このような状況下では、この半透明の層に入った光のかなりの部分が、放射状の散乱経路を通って再び出てきます。つまり、後方散乱、すなわち光波が外気へと方向転換される現象が起こります。
散乱は波長が短いほど顕著に起こります。波長の長い光は、半透明層をそのまま通過し、虹彩の奥にある次の層、つまり上皮またはぶどう膜と呼ばれる茶褐色から黒色の光吸収層に到達します。粒子によって散乱される青色光の明るさや強度は、この層と、間質内の粒子からなる濁った媒体によって決まります。
そのため、波長の長い光は、波長の短い光ほど（散乱によって）外気に反射されません。波長の短い光は青色の波長であるため、目から出る光には青みがかった色合いが生じます。[ 7 ] [ 8 ]青い虹彩は、濁った媒質を通過する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、混濁した組織とメラニン色素の違いにより、遺伝的に変化しない形で解剖学的に互いに異なっている。両方の目の色は、「混ざり合って」いても、機能的には別々のままである。
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、地上では散乱した拡散光（太陽光線）となります。これは、雲粒が光の波長よりも大きいため、すべての色をほぼ均等に散乱させるため、ティンダル散乱ではなくミー散乱を示します。同様に、ティンダル効果 という用語は、空気中の大きな巨視的な塵粒子による光散乱に誤って適用されます。なぜなら、それらの粒子はサイズが大きいため、ティンダル散乱を示さないからです。[ 1 ]
昼間の空に雲がないときは、ティンダル散乱ではなくレイリー散乱によって空の色が青く見える。大気中の主な散乱物質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可能な条件を満たす。[ 9 ]
ティンダル散乱のもう一つの現れは、氷河の融解水が青色に見えることにも見られます。これは、懸濁粒子が可視光スペクトルの短い波長を優先的に後方散乱し、長い波長を吸収するためです。乳白色の岩粉とティ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。実際の青色の濃淡は、最終的に、融解水中に懸濁しているあらゆるサイズの粒子の中で、ティンダル散乱を起こすことができる粒子の相対的な存在量によって決まります（下の表を参照）。
レイリー散乱は、光を散乱する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で定義されます。[ 10 ]粒子の分散がレイリー式に該当するためには、粒子のサイズが約 40 ナノメートル (可視光の場合) 未満である必要があり、粒子は個々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近いです。チンダル散乱、つまりコロイド粒子散乱[ 11 ]は、関与する粒子のサイズが大きいため、レイリー散乱よりもはるかに強いです。強度に対する粒子サイズ因子の重要性は、レイリー散乱の強度の数式表現にある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、光の波長に近い粒子サイズを許容するミー理論の観点から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 ]
