Tyndall-Effekt

Der Tyndall-Effekt beschreibt die Lichtstreuung an Partikeln in einem Kolloid , beispielsweise einer sehr feinen Suspension (einem Sol ). Er ist der Rayleigh-Streuung ähnlich , da die Intensität des gestreuten Lichts umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist. Blaues Licht wird daher deutlich stärker gestreut als rotes Licht. Ein Beispiel aus dem Alltag ist die blaue Farbe, die man manchmal im Rauch von Motorrädern sieht , insbesondere von Zweitaktmaschinen, deren Abgase aus dem verbrannten Motoröl stammen. ^{[ 1 ]} Derselbe Effekt lässt sich auch bei Tabakrauch beobachten , dessen feine Partikel ebenfalls bevorzugt blaues Licht streuen.

Gemäß dem Tyndall-Effekt werden längere Wellenlängen stärker durchgelassen , während kürzere Wellenlängen durch Streuung diffuser reflektiert werden . ^{[ 1 ]} Der Tyndall-Effekt tritt auf, wenn lichtstreuende Partikel in einem ansonsten lichtdurchlässigen Medium dispergiert werden, wobei der Durchmesser eines einzelnen Partikels im Bereich von etwa 40 bis 900 nm liegt , also etwas unterhalb oder nahe den Wellenlängen des sichtbaren Lichts (400–750 nm).

Es findet insbesondere Anwendung bei kolloidalen Gemischen; so wird der Tyndall-Effekt beispielsweise in Nephelometern genutzt , um die Größe und Dichte von Partikeln in Aerosolen ^{[ 1 ]} und anderen kolloidalen Stoffen zu bestimmen. Die Untersuchung dieses Phänomens führte direkt zur Erfindung des Ultramikroskops und der Trübungsmessung .

Es ist nach dem Physiker John Tyndall aus dem 19. Jahrhundert benannt , der das Phänomen als Erster eingehend untersuchte. ^{[ 1 ]}

Vor seiner Entdeckung dieses Phänomens war Tyndall vor allem für seine Arbeiten zur Absorption und Emission von Strahlungswärme auf molekularer Ebene bekannt. Für seine Untersuchungen in diesem Bereich war es notwendig geworden, Luft zu verwenden, aus der alle Spuren von Staub und anderen Partikeln entfernt worden waren. Die beste Methode, diese Partikel nachzuweisen, bestand darin, die Luft mit intensivem Licht zu durchleuchten . ^{[ 2 ]} In den 1860er Jahren führte Tyndall eine Reihe von Lichtexperimenten durch, indem er Lichtstrahlen durch verschiedene Gase und Flüssigkeiten leitete und die Ergebnisse aufzeichnete. Dabei entdeckte er, dass ein Lichtstrahl, der durch ein mit Rauch gefülltes Rohr geleitet wurde, von den Seiten des Rohrs blau, vom anderen Ende jedoch rot erschien. ^{[ 3 ]} Diese Beobachtung ermöglichte es Tyndall, das Phänomen, das später seinen Namen tragen sollte, erstmals zu beschreiben.

Im Jahr 1902 wurde das Ultramikroskop von Richard Adolf Zsigmondy (1865–1929) und Henry Siedentopf (1872–1940) entwickelt , die für die Carl Zeiss AG arbeiteten . Ihr Interesse am Tyndall-Effekt veranlasste sie, helles Sonnenlicht zur Beleuchtung zu verwenden. So konnten sie die Größe von nur 4 nm kleinen Goldnanopartikeln bestimmen , die die charakteristische Cranberry-Glas -Farbe erzeugen. Diese Arbeit führte direkt zu Zsigmondys Nobelpreis für Chemie . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Die blaue Augenfarbe entsteht durch die Tyndall -Streuung des Lichts an einer durchscheinenden Schicht trüber Medien in der Iris , die zahlreiche kleine Partikel mit einem Durchmesser von etwa 0,6 Mikrometern enthält. Diese Partikel sind fein in der fibrovaskulären Struktur des Stromas , der vorderen Schicht der Iris, suspendiert. ^{[ 6 ]} Einige braune Iris besitzen dieselbe Schicht, jedoch mit einem höheren Melaningehalt . Mäßige Melaninmengen erzeugen haselnussbraune, dunkelblaue und grüne Augen.

In Augen, die sowohl Partikel als auch Melanin enthalten, fungiert Melanin als wichtiges Absorptionsmedium. Es absorbiert einfallendes Licht innerhalb der Schicht und reduziert dadurch Lichtreflexion und -streuung erheblich. Fehlt Melanin, ist die Schicht durchlässig . Das einfallende Licht wird nicht mehr ausreichend absorbiert, sondern interagiert hauptsächlich mit den mikroskopischen Partikeln im Medium, was zu einer zufälligen, isotrop verteilten diffusen Streuung führt. Unter diesen Bedingungen tritt ein beträchtlicher Teil des Lichts, das in diese durchlässige Schicht eintritt, über einen radialen Streupfad wieder aus. Es kommt also zu Rückstreuung , der Umlenkung der Lichtwellen zurück in die Umgebungsluft.

Bei kürzeren Wellenlängen tritt die Streuung stärker auf. Längere Wellenlängen durchdringen die lichtdurchlässige Schicht weitgehend ungehindert und treffen erst weiter hinten in der Iris auf die bräunlich-schwarze, lichtabsorbierende Epithel- oder Uveaschicht . Die Helligkeit bzw. Intensität des von den Partikeln gestreuten blauen Lichts hängt von dieser Schicht sowie dem trüben Medium der Partikel im Stroma ab.

Längere Wellenlängen werden daher weniger stark (durch Streuung) in die Umgebungsluft zurückreflektiert als kürzere. Da es sich bei den kürzeren Wellenlängen um blaue Wellenlängen handelt, entsteht dadurch ein blauer Farbton im austretenden Licht. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Die blaue Iris ist ein Beispiel für eine Strukturfarbe , da ihre Farberzeugung ausschließlich auf der Interferenz von Licht im trüben Medium beruht.

Blaue und braune Augen unterscheiden sich daher anatomisch und genetisch nicht variabel aufgrund der Unterschiede in den Trübungsmedien und dem Melaningehalt. Beide Augenfarben können trotz einer Vermischung funktional getrennt bleiben.

Bei bedecktem Himmel durchdringt das Sonnenlicht die Trübungsschicht der Wolken und wird dadurch gestreut und diffus auf den Boden getroffen ( Sonnenstrahl ). Hierbei handelt es sich um Mie-Streuung anstelle von Tyndall-Streuung, da die Wolkentröpfchen größer als die Wellenlänge des Lichts sind und alle Farben annähernd gleichmäßig streuen. Umgekehrt wird der Begriff „Tyndall-Effekt“ fälschlicherweise auf die Lichtstreuung durch große, makroskopische Staubpartikel in der Luft angewendet, da diese aufgrund ihrer Größe keine Tyndall-Streuung zeigen. ^{[ 1 ]}

Bei wolkenlosem Himmel erscheint dieser tagsüber aufgrund der Rayleigh-Streuung blau , nicht aufgrund der Tyndall-Streuung. Die wichtigsten Streumittel in der Atmosphäre sind Luftmoleküle wie Stickstoff und Sauerstoff. Deren charakteristische Abmessungen sind deutlich kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, wodurch die Bedingungen für die Rayleigh-Streuung erfüllt sind. ^{[ 9 ]}

Eine weitere Erscheinungsform der Tyndall-Streuung zeigt sich in der blauen Färbung von Gletscherschmelzwasser. Diese entsteht durch die bevorzugt kurzwelligen Streuung des sichtbaren Lichts durch die darin suspendierten Partikel , während längere Wellenlängen absorbiert werden. Milchig-weißes Gesteinsmehl, vermischt mit dem durch den Tyndall-Effekt hervorgerufenen Blaustich, erzeugt das charakteristische „Türkisblau“, das häufig in Schmelzwasserbächen zu beobachten ist. Der tatsächliche Blauton wird letztendlich durch die relative Häufigkeit der Partikel bestimmt, die über den gesamten Größenbereich im Schmelzwasser Tyndall-Streuung bewirken können (siehe Tabelle unten).

Die Rayleigh-Streuung ist durch eine mathematische Formel definiert, die voraussetzt, dass die lichtstreuenden Partikel deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. ^{[ 10 ]} Damit eine Partikeldispersion die Rayleigh-Formel erfüllt, müssen die Partikelgrößen unter etwa 40 Nanometern (für sichtbares Licht) liegen, und es können sich um einzelne Moleküle handeln. ^{[ 10 ]} Kolloidale Partikel sind größer und liegen in etwa in der Größenordnung der Lichtwellenlänge. Die Tyndall-Streuung, d. h. die Streuung an kolloidalen Partikeln, ^{[ 11 ]} ist aufgrund der größeren Partikelgrößen wesentlich intensiver als die Rayleigh-Streuung. Die Bedeutung der Partikelgröße für die Intensität zeigt sich im großen Exponenten in der mathematischen Formel für die Intensität der Rayleigh-Streuung. Sind die Kolloidpartikel sphäroidisch , lässt sich die Tyndall-Streuung mathematisch mit der Mie-Theorie analysieren , die Partikelgrößen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge zulässt. ^{[ 10 ]} Die Lichtstreuung an Partikeln mit komplexer Form wird mit der T-Matrix-Methode beschrieben . ^{[ 12 ]}

• 
  Nebelstreuungsampel ^{[ 1 ]}
• 
  Das Kolloid auf der rechten Seite zeigt den Tyndall-Effekt, die Lösung hingegen nicht ^{[ 1 ].}
• 
  Staub in der Luft, der Mie-Streuung anstelle von Tyndall-Streuung zeigt
• 
  Der Weg des Lasers von der Sternwarte wird aufgrund des Tyndall-Effekts sichtbar.
• 
  Der Tyndall-Effekt entsteht durch das Okulus in der Kuppel des Pantheons in Rom. Das Okulus ist die einzige Lichtquelle im Inneren des Pantheons.
• 
  Mehl, das in Wasser suspendiert ist , erscheint blau, da nur gestreutes Licht das Auge erreicht und blaues Licht von den Mehlpartikeln stärker gestreut wird als rotes Licht ^{[ 1 ].}

• Lichtstreuung
• Transparenz und Durchscheinen
• Ultramikroskop