Warto przeczytać

Zjawiska optyczne zachodzące w naszym otoczeniu zdeterminowane są dwoma prawami: odbicia i załamania. To one są najczęściej opisywane w literaturze. Dodatkowo w podręcznikach pojawiają się informacje na temat interferencji i dyfrakcji, a rzadziej - rozproszeńrozproszenierozproszeń. Rozproszenie, czyli częściowa zmiana kierunku rozchodzenia się światła, kojarzone jest przede wszystkim z sytuacją, gdy równoległe promienie światła padające na powierzchnię chropowatą, przestają mieć zgodne kierunki (rys. 1). Ulegają one odbiciu, ale ze względu na strukturę odbijającą rozchodzą się w różne strony. Jednak zagadnienie rozproszenia światła jest w rzeczywistości znacznie obszerniejsze.

R1GukRafz0jUr

Rys. 1. Na rysunku pokazano chropowatą powierzchnię w powiększeniu. Powierzchnia pełna jest nieregularnych gór i dołów. Na powierzchnię pada z lewej strony wiązka równoległych promieni świetlnych. Promienie trafiają pod różnymi kątami na wystające fragmenty powierzchni. Promienie odbite skierowane są w różne strony.

Wyjaśnienie omawianego zjawiska zawdzięczamy między innymi: żyjącemu w XIX wieku irlandzkiemu uczonemu Johnowi Tyndallowi (rys. 2) oraz lordowi Rayeighowi. Przyjrzyjmy się dokładniej zjawisku opisanemu przez pierwszego z nich – rozproszeniu zachodzącemu na małych cząsteczkach.

RdR0bjDemkZEG

Rys. 2. Na zdjęciu jest portret Johna Tyndalla, brodatego mężczyzny, ubranego według mody XIX‑wiecznej. Mężczyzna na pociągłą twarz i szpiczasty nos, przy którym ma widoczne znamię na lewym policzku. Między brwiami zarysowuje się widoczna tzw. "lwia zmarszczka". Mężczyzna patrzy w prawą stronę.

Tyndall prowadząc badania nad promieniowaniem podczerwonym potrzebował zbiorników z bardzo czystym powietrzem. Chcąc zweryfikować jego czystość, świecił na zbiorniki światłem i obserwował refleksy powstające na pozostałych cząsteczkach. Zauważył, że im mniej było tych refleksów, tym powietrze było czystsze. Do jakich wniosków doprowadziły go te obserwacje?
Po pierwsze stwierdził, że równoległa wiązka światła, przechodząc przez roztwór zawierający zanieczyszczenia, ulega ugięciu na cząsteczkach znajdujących się w tym roztworze. Dzieje się tak, gdyż każda z napotkanych cząsteczek staje się źródłem rozchodzących się we wszystkich kierunkach nowych fal. Powstający w ten sposób stożek świetlny jest dziś znany w literaturze jako stożek Tyndalla.
Po drugie zauważył, że efekt ten zależy nie tylko od długości fali rozpraszanej, ale także od rozmiarów cząsteczek oraz od właściwości optycznych roztworu.

Światło padające ulega osłabieniu przechodząc przez ośrodek rozpraszający. Zostało to po raz pierwszy opisane przez Rayleigha. Potraktował on cząsteczki zawiesiny jako bardzo małe kulki (o średnicy mniejszej niż długość fali światła padającego λlambda). Na podstawie obserwacji stwierdził on, że natężenie światła rozproszonego w pewnym kierunku I jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali λlambda:

gdzie IIndeks dolny 0₀ – natężenie wiązki padającej, N – liczba cząsteczek rozpraszających w jednostce objętości, V – objętość cząstki, k – współczynnik zależny od kierunku obserwacji i odległości od wiązki przechodzącej.

Na podstawie powyższego wzoru można zauważyć, że rozproszenie bardzo silnie wzrasta w miarę malenia długości fali. Najsilniej rozpraszają się najkrótsze długości fali – z tego też względu światło niebieskie i fioletowe jest najbardziej osłabione i słabo widoczne w świetle przechodzącym, zaś wyraźnie widać światło żółtawe (można to łatwo zaobserwować świecąc latarką na zawiesinę znajdującą się w przezroczystym naczyniu).

Dodatkowo widać, że natężenie światła rozproszonego jest proporcjonalne do kwadratu objętości cząsteczek, a tym samym do szóstej potęgi ich promienia (dla przypomnienia: $V=\frac{4}{3} \pi r^3$. Dlatego rozproszenie wzrasta bardzo szybko w miarę zwiększania się rozmiarów cząsteczki.

Omawiane tu zjawisko może także zachodzić na cząsteczkach pary wodnej, dymu czy zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu. Tym samym efekt, opisany przez Tyndalla, zauważony wcześniej przez Faradaya, możemy zaobserwować w naszym otoczeniu, na przykład:

• podczas sprzątania zakurzonego pomieszczenia promienie słoneczne dostające się wówczas do pomieszczenia tworzą wyraźnie widoczne smugi (rys. 3),

R1RYZzRogGxEZ

Rys. 3. Na zdjęciu pokazany jest pokój ze skośnym sufitem. Przez prostokątne okno w suficie wpada jasna smuga światła i oświetla prostokąt na podłodze. Smuga światła rozszerzająca się w kierunku podłogi jest wyraźnie widoczna w mrocznym pomieszczeniu.

• podczas spaceru w lesie w słoneczny dzień promienie prześwitujące przez korony drzew tworzą „smugi”, które są możliwe do zaobserwowania dzięki rozproszeniu na pyłach roślin znajdujących się w powietrzu (rys. 4)

R5fiVn45J3ACi

Rys. 4. Zdjęcie przedstawia korony drzew sfotografowane od dołu. Z jednego punktu, gdzie za drzewami znajduje się słońce, rozchodzą się w dół i na boki jasne, rozszerzające się smugi świetlne.

• świecąc na roztwór koloidalny latarką lub laserem (rys. 5)

R139pnHgp9seW

Rys. 5. Podzielony jest na dwa zdjęcia: górne i dolne. Na górnym zdjęciu widać szklankę z przezroczystym roztworem koloidalnym. Z boku roztwór oświetlany jest światłem białym. W roztworze jest widoczna rozszerzająca się, jasna wiązka światła.

R1WIWD0RmOzMo

Dolne zdjęcie przedstawia ten sam oświetlany roztwór, ale sfotografowany z większej odległości. Za szklanką widać ustawiony pionowo ekran, na którym wiązka światła oświetla duży kwadrat.

Takie doświadczenie możemy przeprowadzić samodzielnie. Wystarczy przygotować roztwór koloidalny (np. poprzez rozpuszczenie białka lub mleka w wodzie i dokładne wymieszanie). Roztwór ten należy umieścić w przezroczystym naczyniu, a następnie skierować na niego wiązkę światła białego (na przykład z latarki) lub laserowego.

Słowniczek