Tyndall effect. Эффект Тиндаля - Химия и Химики № 2 2023

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Tyndall effect: laser and hot tea - pt.3 / Эффект Тиндаля: лазер и горячий чай

Small water droplets scatter laser light in the air over hot tea. This is a variant of the Tyndall effect. It looks like an electrical discharge.

Рассказал коллеге про свои эксперименты с лазером и конусом Тиндаля. Он вспомнил:

- На днях пробовал: стояла чашка с горячим чаем, посветил над ней лазером - эффект был четкий.

Сначала я подумал, что речь идет не про эффект Тиндаля (рассеяние луча света дисперсными частицами), а про искажение луча за счет разницы показателей преломления для теплого и холодного воздуха. Попробовал воспроизвести - оказалось, что нет: дело именно в дисперсных частицах.

К искажению луча света при прохождении его сквозь среду, показатель преломления которой изменяется вдоль пути луча, мы вернемся чуть позже - тема интересная, но основе данного явления лежит другой принцип. Сейчас - про эксперимент с лазером и чаем.

Взял пустой стакан, посветил лазером над стаканом параллельно отверстию. Или луч был невидим вообще, или был видим слабо: за счет частиц пыли и аэрозоля в воздухе.

Налил в стакан горячий чай (который только что закипел) и снова посветил лучом над стаканом (параллельно поверхности жидкости). В результате лазерный луч стал видим, но картинка не была статичной, как в суспензии или коллоидном раствора, а очень динамичной: были видны лишь фрагменты пути луча в виде ярких отрезков, которые меняли длину, смешались, изменяли яркость, исчезали и опять появлялись.

Светящиеся зоны "бегали" вдоль прямой, меняя длину и яркость свечения. Эти зоны, то почти исчезали, то объединялись в сплошной, яркий луч. Луч как бы был нарисован "динамичным пунктиром".

Было очевидно, что над стаканом луч стал видим за счет аэрозоля из капелек воды, которые образовались в восходящем потоке водяного пара из-за его конденсации. В разговорной речи (а иногда - и в научной литературе) этот белый аэрозоль называют "пар" или "парЫ", хотя фактически мы имеем дело с капельками воды, диспергированными в воздухе и/или в водяном паре.

Облако аэрозоля не было статичным: оно поднималось вверх, смешалось в стороны и клубилось под действием потоков воздуха в помещении, поэтому в разное время с аэрозолем сталкивались разные участки луча. Более того, концентрация аэрозоля в конкретной точке облака сильно менялась во времени: когда над стаканом было сплошное облако из капелек воды - луч был видим полностью, когда части этого облака "сдувало" в сторону, - были видны только светящиеся отрезки или точки. Больше концентрация капелек пара - ярче луч, меньше концентрация - луч более тусклый (вплоть до визуального исчезновения).

Попробовал посветить лучом не горизонтально над стаканом, а вертикально: сверху на поверхность чая. В результате получил три луча: прямой луч (от лазера к поверхности), обратный луч (отраженный от поверхности чая вверх) и преломленный луч, прошедший в чай (луч, который преломлился на границе раздела жидкости и воздуха, а потом распространяется в жидкости: от поверхности в сторону дна). Прямой луч был гораздо ярче, чем отраженный, но, и прямой и отраженный лучи не выглядели, как сплошные линии: в разные моменты светились разные их участки (так же, как и в случае с горизонтальным лучом, параллельным поверхности воды). Разумеется, прошедший в жидкость луч двигался внутрь жидкости не по той же прямой, что падающий луч, а под углом к ней - это и есть явление преломления света.

Прошедший в чай луч образовывал конус - это тоже эффект Тиндаля за счет твердых частиц в чае. Причем конус по мере проникновения в жидкость сужался - за счет сильного поглощения света жидкостью (обычно - наоборот: конус луча в жидкости расширяется - луч фонарика или близок к прямой линии - луч лазера). Если посветить лазером в чай не сверху, а сбоку, то в жидкости возникал точно такой же конус.

В темноте свечение лазера в аэрозоле капелек воды выглядело гораздо эффектнее, оно напоминало электрические разряды (без характерного звука, разумеется).

Теперь про явление, которое я заподозрил с самого начала: искажение света (преломление и частичное отражение) в среде с идентичным химическим составом, но градиентом температуры в пространстве. Я думал, что над стаканом горячего чая будет поток теплого воздуха и водяного пара (не аэрозоля), который исказит луч.

Дело в том, что при переходе луча света из одной среды в другую, которая имеет другой показатель преломления, направление луча изменяется: на поверхности раздела сред происходит преломление света. Изменение направления тем сильнее, чем больше разница показателей преломления двух сред. Кроме того, на границе раздела двух прозрачных сред часть света отражается.

Показатель преломления зависит не только от химического состава среды (какие вещества и сколько), но и от агрегатного состояния веществ, температуры и давления. Например, свет преломляется на границе вода-лед, хотя их химический состав идентичен. Аналогично, хотя и в меньшей мере, происходит преломление света, если среда в разных местах имеет разную температуру. Многие наблюдали "дрожание" воздуха, когда солнце греет холодную землю ("Теплый пар восходит от земли"), дрожание восходящего потока горячего воздуха над пламенем или над нагретой электрической плитой, кроме того, такие потоки воздуха отбрасывают заметную тень. В свое время я провел немало ночей на посту, греясь возле бочки с горящими дровами. Так вот, горячий воздух, нагретый от контакта с поверхностью бочки, был вполне видим. Тогда, когда показатели преломления прозрачных сред отличаются, одна из них видима в другой: на границе раздела происходит преломление и частичное отражение света. Например, стекло в воздухе, полиэтилен в воде. Также - горячий воздух в холодном воздухе.

Аналогично и с водой: в океане может быть сразу по несколько слоев воды с разной температурой, которые между собой не перемешиваются. Их границы не только могут отражать/преломлять свет, но и звуковые волны. В результате подводные лодки, которые прятались в нижнем холодном слое воды, становились невидимы для сонаров. Аналогичный эффект может возникать, когда река достигает моря: иногда их воды смешиваются далеко не сразу и могут образовывать два слоя (снизу соленная вода, сверху - пресная), а граница этих слоев может отражать звук сонара. Во время Второй мировой из-за такого эффекта Канада была вынуждена временно закрыть судоходство на одной из рек, поскольку немецкие субмарины прятались в соленной морской воде, над которой был слой пресной воды из реки (Битва в заливе Святого Лаврентия, 1942-1943 гг).

Такую границу между "водой и водой", а особенно - между водой и соленной водой вполне можно наблюдать визуально (например, в стакане или аквариуме). И наоборот: если две прозрачные среды имеют абсолютно разный химический состав, но одинаковые показатели преломления, то граница раздела между ними будет невидима. Например, в сети есть немало экспериментов, которые показывают, что оргстекло и некоторые марки силикатного стекла видимы в воде, видимы на воздухе, но невидимы в глицерине.

Аналогична океану, атмосфера имеет много разных слоев, они не имеют четкой границы между собой, но для данного явления это не обязательно. И, аналогично океану, атмосфера динамична: теплые и холодные, влажные и более сухие потоки воздуха регулярно возникают, меняют направление и исчезают. Вас не удивляет, почему уже несколько телескопов вывели на земную орбиту, хотя астрономические наблюдения с Земли проводить гораздо дешевле и проще? Атмосфера искажает свет от звезд, планет и других космических объектов, причем делает это динамически: луч лазера над чашкой горячего чая - наглядная модель. Помните, как в абсолютно безоблачную ночь мигают звезды? Сами звезды светят с более-менее постоянной интенсивностью (а, если она иногда и меняется, то не так быстро и не так часто) - дело в атмосферных помехах, которые обусловлены динамичными потоками воздуха. Поэтому и приходится выводить телескопы за пределы атмосферы или компенсировать эти помехи с помощью специальной аппаратуры, чем занимается адаптивная оптика. Для этого астрономы наблюдают яркие звезды или искусственное свечение, вызванное лучом лазера в верхних слоях атмосферы - они служат базовыми объектами, по которым измеряют, а затем - компенсируют искажение луча атмосферой, что позволяет наблюдать далекие звезды, туманности и галактики с гораздо более высокой разрешающей способностью - так картинка получается значительно более четкой.

Приведу цитату из и иллюстрацию с сайта NASA "Astronomy Picture of the Day":

"Почему звезды мерцают? В этом виновата наша атмосфера: "карманы" воздуха со слегка отличной температурой, находящиеся в постоянном движении, искажают световые пути от далеких астрономических объектов. Атмосферная турбулентность представляет собой проблему для астрономов, потому что она размывает изображения источников, которые они хотят изучать. Телескоп на этом изображении, расположенный в обсерватории ESO Параналь, оснащен четырьмя лазерами для борьбы с этой турбулентностью. Лазеры настроены на цвет, возбуждающий атомы, плавающие высоко в земной атмосфере, - натрий, оставленный пролетающими метеорами. Эти светящиеся натриевые пятна действуют как искусственные звезды, мерцание которых сразу же регистрируется и передается на гибкое зеркало, которое деформируется сотни раз в секунду, противодействуя атмосферной турбулентности и обеспечивая более четкое изображение. Устранение мерцания звезд является развивающейся областью технологий и позволяет в некоторых случаях получать изображения класса Хаббла с Земли. Этот метод также нашел применение в науке о человеческом зрении, где он используется для получения очень четких изображений сетчатки."

Tyndall effect: laser and candle - pt.4 / Эффект Тиндаля: лазер и свеча

The laser ray was almost invisible in air. The ray was partly visible in the flame of a candle but the camera could not capture this effect. When we extinguished the candle the ray became visible: the extinguished candle gave many particles of paraffin which formed a dispersion in the air. The dispersion scatters the light of the laser beam.

Для того, чтобы в среде происходило рассеяние света, и мы видели путь луча при наблюдении сбоку, необходимо наличие дисперсных частиц. Если речь идет об воздухе, обычно в этой роли выступают пыль, дым или частички тумана. Но я вспомнил еще про одну дисперсную систему: ПЛАМЯ!

Пламя бывает разным. Например, пламя водорода на воздухе - гомогенное: оно содержит водород, кислород/азот и водяной пар - все эти вещества находятся в одной газовой фазе (включая некоторое количество свободных радикалов, которые имеют очень короткое время жизни). Но пламя может быть и гетерогенным: пламя метана, ацетилена или свечи на воздухе. Например, пламя обычной свечи состоит из трех основных зон:

* внутренняя темная (несветящаяся) зона, по которой пары парафина поднимаются в зону горения;

* средняя (промежуточная; восстановительная) зона, где происходит неполное сгорание паров парафина с образованием раскаленных частиц твердого углерода, которые дают яркое желтое свечение - температура тут умеренная, а среда - восстановительная;

* внешняя (окислительная) зона - здесь происходит полное (окончательное) сгорание топлива, среда - окислительная, температура - максимальная, свечение - синее, тусклое.

Structure of candle flame. Строение пламени свечи

The structure of a candle flame / Строение пламени свечи

Другими словами, в пламени есть твердые частицы углерода, диспергированные в горячем газе. Раз так, эти частицы должны рассеивать свет, например, луча фонарика или лазера. Должны и рассеивают, только эти частицы раскаленные: они дают сильное собственное излучение. Поэтому наблюдать конус Тиндаля в пламени, сквозь которое проходит луч фонаря, не приходится рассчитывать. А как дело с лазером? Я был уверен, что луч лазера будет видим в пламени свечи, но только при условии его достаточной мощности (яркости) иначе рассеянный свет лазера будет теряться на фоне собственного свечения пламени.

Из лазеров у меня была только зеленая лазерная указка. Попробовал: луч лазера действительно виден в пламени, причем именно в средней (восстановительной) зоне! Если луч проходит также сквозь первую (темную) зону - в ней он становится невидимым.

Однако, эффект наблюдался не всегда. В чем дело? Оказывается - в батарейках. Батарейки быстро садились и интенсивность свечения лазера падала. Так вот: эффект проявлялся только с новыми батарейками (когда яркость лазера была максимальной), стоило немного ними попользоваться - и все.

Вторая трудность оказалась существеннее: пока я эту проблему не решил, описывается она одним словом: фотоаппарат. Визуально луч лазера в пламени был хорошо видим, а на видео, снятом на фотоаппарат, - нет: тусклый зеленый свет, рассеянный углеродом, на видео незаметен из-за яркого желтого света, излучаемого этим же углеродом. Нужно использовать или более мощный лазер, или зеленый светофильтр. Я оставил это на будущее, ниже приведу кадры из видео с искусственно дорисованным лучом. Примерно так выглядел луч в пламени при наблюдении невооруженным глазом.

The camera was unable to capture the laser beam in flame. In the photographs the laser beam is drawn using a computer program

Удалось снять или не удалось, в конце эксперимента свечу надо гасить. Задул пламя и... луч лазера сразу же стал видим на всю его длину. До этого в луче поблескивали только отдельные пылинки, теперь же погасшая свеча дала много аэрозоля из частичек парафина (пары с фитиля конденсировались при охлаждении на воздухе). Более того, визуально помещение не выглядело задымленным, но небольшого числа частиц, которые рассеялись по воздуху, вполне хватило. Многие помнят, что только что погашенная свеча часто дает тонкую струйку белого "дыма" - поток паров и твердых частичек парафина. Можно даже поджечь свечу дистанционно, если быстро поднести пламя к этому потоку (см. How to light candle from distance? Как зажечь свечу на расстоянии? [ссылка]).

The extinguished candle. Погашенная свеча

The extinguished candles / Погашенные свечи

Так вот, если луч лазера прикасался к этому потоку, он ярко вспыхивал "зеленым пламенем": конечно, это было не настоящее горение (у нашего лазера и близко нет достаточной мощности, чтобы поджечь парафин), просто концентрация твердых частиц там была насколько высокой, что наблюдалось сильное рассеяние лазера, результат - яркое, локальное свечение, которое временами напоминало пламя.

Отчаявшись заснять луч лазера в пламени, я целенаправленно стал снимать "проявление" луча лазера после момента гашения свечи. Во время первого дубля луч лазера был почти невидим в воздухе помещения (до того момента, пока я не задул свечу), при дальнейших повторах луч был видим уже изначально (в воздухе оставались частицы парафина с прошлого раза), но все равно до гашения свечи луч светился более слабо, чем после гашения свечи. Если помещение проверить (открыть форточку и дверь), лазер опять становился почти невидимым со стороны - аэрозоль парафина выдувался из помещения (по этой причине во время демонстрации эксперимента в помещении очень нежелательны сквозняки).