李俊生+趙琳+孫晶+郭瑞紅

摘要：丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)引入激光筆作光源已成為教師廣泛采用的方法，然而由于激光的特殊性，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些問題也隨之增多，文章對這些問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對照和理論研究，得出了一般體系都有光散射現(xiàn)象，只是強(qiáng)弱不同，并對這種差異進(jìn)行了理論分析，同時(shí)對黑暗中一些體系的光散射以及光輻射等疑難問題進(jìn)行了理論研究。

關(guān)鍵詞：分散系；丁達(dá)爾效應(yīng)；光散射；發(fā)射光譜頻移

文章編號(hào)：1005–6629（2014）1–0044–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

丁達(dá)爾效應(yīng)是膠體分散系的一種重要的光學(xué)性質(zhì)，這種光學(xué)性質(zhì)也是中學(xué)教師關(guān)于膠體性質(zhì)和膠體分散系鑒別教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，特別是近幾年來以激光筆為光源的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更是引起了人們廣泛的關(guān)注，其中一些研究成果引人矚目[1，2]，但是仍有很多問題需要在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入的理論研究。

1 分散體系的光散射實(shí)驗(yàn)

為了全面準(zhǔn)確地把握丁達(dá)爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因，我們對常見的一些溶劑、不同的分散系采用不同的光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盛裝藥品的玻璃儀器均為50mL小燒杯，三色激光筆（50mw）（波長：紅/650nm，綠/532nm，藍(lán)紫/405nm）；綠色激光筆（200mw）（波長532nm±10）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以不同激光筆為光源的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)展示了和以往人們關(guān)于丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同的諸多方面：（1）大多數(shù)不同的體系均有光亮的通路，有強(qiáng)弱之分；（2）功率高的綠色激光筆幾乎對所有分散系形成光亮通路且可透過；（3）純水也有程度不同的光亮通路；（4）對于溶液而言正常光線下是微弱光亮通路或沒有光亮通路，但是在黑暗中確是較明顯的光亮通路；蒸餾水也一樣；而光亮通路（垂直于光的入射方向觀察的結(jié)果）的顏色以及透過光或光斑（透過分散系在背景墻上形成的光點(diǎn)）的顏色也成為人們研究的另一方面。對此我們認(rèn)為，上面表1、2說明發(fā)出不同顏色激光的激光筆給丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便，但是也出現(xiàn)了復(fù)雜情況，因此結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及理論研究對丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的研究是十分必要的，以下是我們根據(jù)光散射理論[3]、常見分散系分散質(zhì)微粒大小之間的關(guān)系[4]進(jìn)行的有關(guān)研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

表1、2展示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是一些具有代表性體系的丁達(dá)爾效應(yīng)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻和教科書的一些內(nèi)容有些出入，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是一些教師以及學(xué)生心中疑惑的問題，因此有必要對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以理論分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)關(guān)注的問題

研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果之前對散射理論以及相關(guān)問題做必要的梳理是搞好實(shí)驗(yàn)分析的重要前提，也是深刻理解膠體分散系的必然要求，對此分析如下：

（1）膠體分類中只有疏液膠體具有全面的膠體性質(zhì)，親液膠體以及締合膠體嚴(yán)格講和疏液膠體具有本質(zhì)區(qū)別。

（2）膠體的分類是相對的，其中微粒大小略小于1 nm或略大于100 nm的分散系也具有一定的膠體性質(zhì)[5]。

（3）體系微粒對光的散射是廣泛存在的，散射的原因不同結(jié)果也不同，膠體分散系可能沒有丁達(dá)爾效應(yīng)，非膠體體系也可能有丁達(dá)爾效應(yīng)，一般看來膠體分散系的丁達(dá)爾效應(yīng)比較強(qiáng)[6]。

（4）光亮通路的顏色及原因、入射光、散射光、透射光性質(zhì)、溶膠顏色等問題應(yīng)該引起教師的關(guān)注。

（5）觀察光亮通路的最佳位置應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究并加以總結(jié)。

2.2 分散體系光散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 CCl4（l）、C6H6（l）、H2O（l）的光散射

這三種液體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有微弱的丁達(dá)爾現(xiàn)象，依據(jù)Rayleigh散射理論如n1=n2則應(yīng)該無散射現(xiàn)象，但是依據(jù)Debye散射理論觀點(diǎn)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)引起液體密度的漲落，局部區(qū)域密度的漲落會(huì)引起折射率的變化，從而引起系統(tǒng)的光學(xué)不均勻性而引起光散射，由于一定溫度下分子的熱運(yùn)動(dòng)變化不大，因此液體密度的變化也應(yīng)該很微弱，所以這種散射也應(yīng)該很微弱，另外CCl4分子間的鹵鍵、C6H6分子間π-π以及C-H…π作用，H2O分子之間的氫鍵等弱相互作用都可能促成小分子向大分子的聚集，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入1～100 nm而產(chǎn)生微弱的丁達(dá)爾現(xiàn)象也是很重要的因素，例如研究表明H2O分子之間通過氫鍵確實(shí)可以形成納米水，納米水分子的大小在2～100 nm之間[7]。

2.2.2 醫(yī)用酒精、CuSO4（飽和）、NaCl（飽和）的光散射

這三種液體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有微弱的丁達(dá)爾現(xiàn)象，只是CuSO4（飽和）對綠色或藍(lán)紫色激光的丁達(dá)爾現(xiàn)象強(qiáng)些，依據(jù)Debye散射理論觀點(diǎn)醫(yī)用酒精、NaCl（飽和）的微弱丁達(dá)爾現(xiàn)象應(yīng)該來自溶液中的溶劑密度的漲落，其次是溶質(zhì)的濃度的漲落；而CuSO4（飽和）比較特殊，一是對紅色激光沒有通路，其原因是由于CuSO4（飽和）是藍(lán)綠色的，說明其溶液對紅光有吸收作用，所以沒有光亮通路，二是CuSO4（飽和）對藍(lán)紫色或綠色激光的散射比醫(yī)用酒精、NaCl（飽和）強(qiáng)一些，這可能是在硫酸銅溶液中存在如下平衡[8]：

CuSO4+2H2O Cu（OH）2+H2SO4

CuSO4+Cu（OH）2 Cu2（OH）2SO4

由于難溶物Cu2（OH）2SO4的生成，可能形成疏水膠體，特別是在加熱硫酸銅的情況下，這種疏水溶膠的濃度可以期望達(dá)到理想的程度。

2.2.3 豆?jié){、牛奶的光散射

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明濃的豆?jié){或牛奶對三種激光沒有光亮通路，只是在激光入射點(diǎn)靠近液面處能觀察到近圓形的散射光；極稀時(shí)才對三種激光形成光亮的通路；對于這兩種分散系一般專業(yè)書籍中認(rèn)為是乳濁液[9]，而高中教材中認(rèn)為豆?jié){是膠體，據(jù)此很多教師或?qū)W生認(rèn)為牛奶和豆?jié){類似，也應(yīng)該為膠體，據(jù)此我們查閱了豆?jié){、牛奶的有關(guān)組成的信息，情況如下。

前面的分析說明四者顏色的關(guān)系比較復(fù)雜，把握四者顏色之間的關(guān)系對于引導(dǎo)學(xué)生觀察，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力很重要，對此總結(jié)如下：

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補(bǔ)，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍(lán)紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質(zhì)的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補(bǔ)[26]，這時(shí)也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補(bǔ)，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補(bǔ)的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時(shí)散射光為藍(lán)紫色，透射光為黃色，具有互補(bǔ)性，例如硅酸溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的散射光和透射光就是這樣。

（5）當(dāng)一束光通過介質(zhì)時(shí)，在入射光方向以外的各個(gè)方向觀察到光輻射的強(qiáng)度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大?。╠）有關(guān)，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強(qiáng)度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強(qiáng)；散射光強(qiáng)度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強(qiáng)度與單位體積內(nèi)的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質(zhì)的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強(qiáng)。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內(nèi)排列較整齊時(shí)，每個(gè)粒子所產(chǎn)生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從目前的實(shí)驗(yàn)效果看并不好，因?yàn)楫?dāng)采用綠色或藍(lán)紫色激光時(shí)，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象。我們認(rèn)為作為課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有穩(wěn)定的演示結(jié)論，而硫酸銅溶液不具備演示結(jié)論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達(dá)爾現(xiàn)象而用綠色或藍(lán)紫色激光就有，這種情況容易使教學(xué)效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時(shí)即使采用不同顏色的激光，也會(huì)出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達(dá)爾現(xiàn)象的結(jié)論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動(dòng)或放置一定時(shí)間后再做丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術(shù)的普及，各種激光顏色的激光筆進(jìn)入家庭，使得各種情況的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象廣泛進(jìn)入學(xué)生的視野，由此引起的問題是學(xué)生對丁達(dá)爾效應(yīng)的各種疑問，這不能不說對教師的教學(xué)帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達(dá)爾效應(yīng)以及相關(guān)的理論問題對教師搞好化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的啟示。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭志信.對“紅光照射硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體實(shí)驗(yàn)”的探究[J].化學(xué)教育，2010，31（7）：76～77.

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[24]宋國利，劉慧英，孫凱霞等.納米ZnO膠體可見光發(fā)射機(jī)制的研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2003，24（4）：350～351.

[26]陳福，武麗華，趙恩錄等.玻璃顏色概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1.

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補(bǔ)，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍(lán)紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質(zhì)的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補(bǔ)[26]，這時(shí)也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補(bǔ)，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補(bǔ)的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時(shí)散射光為藍(lán)紫色，透射光為黃色，具有互補(bǔ)性，例如硅酸溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的散射光和透射光就是這樣。

（5）當(dāng)一束光通過介質(zhì)時(shí)，在入射光方向以外的各個(gè)方向觀察到光輻射的強(qiáng)度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大?。╠）有關(guān)，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強(qiáng)度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強(qiáng)；散射光強(qiáng)度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強(qiáng)度與單位體積內(nèi)的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質(zhì)的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強(qiáng)。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內(nèi)排列較整齊時(shí)，每個(gè)粒子所產(chǎn)生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從目前的實(shí)驗(yàn)效果看并不好，因?yàn)楫?dāng)采用綠色或藍(lán)紫色激光時(shí)，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象。我們認(rèn)為作為課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有穩(wěn)定的演示結(jié)論，而硫酸銅溶液不具備演示結(jié)論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達(dá)爾現(xiàn)象而用綠色或藍(lán)紫色激光就有，這種情況容易使教學(xué)效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時(shí)即使采用不同顏色的激光，也會(huì)出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達(dá)爾現(xiàn)象的結(jié)論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動(dòng)或放置一定時(shí)間后再做丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術(shù)的普及，各種激光顏色的激光筆進(jìn)入家庭，使得各種情況的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象廣泛進(jìn)入學(xué)生的視野，由此引起的問題是學(xué)生對丁達(dá)爾效應(yīng)的各種疑問，這不能不說對教師的教學(xué)帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達(dá)爾效應(yīng)以及相關(guān)的理論問題對教師搞好化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的啟示。

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[26]陳福，武麗華，趙恩錄等.玻璃顏色概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1.

（1）如果入射激光顏色和分散系顏色互補(bǔ)，白天則可能沒有光亮通路，也可能沒有透射光（亮斑）。例如：Fe（OH）3（膠體）（藍(lán)紫色激光）、硫酸銅（飽和）（紅色激光）；但是如果分散質(zhì)的濃度比較小，盡管入射光顏色和分散系顏色互補(bǔ)[26]，這時(shí)也可能形成和入射光顏色一致的散射光和透射光（光斑），紅色激光筆照射稀的硫酸銅溶液的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就是這樣。

（2）如果入射激光照射到無色透明的膠體分散系上，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣，如果激光照射到有色膠體分散系上且膠體分散系顏色和激光顏色不互補(bǔ)，則散射光和透射光的顏色和激光顏色一樣。

（3）如果入射光為自然光，膠體分散系透明有顏色，則自然光中和膠體顏色互補(bǔ)的顏色被吸收，膠體本身的顏色被散射。

（4）如果入射光為自然光，膠體分散系為無色透明，則這時(shí)散射光為藍(lán)紫色，透射光為黃色，具有互補(bǔ)性，例如硅酸溶膠的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的散射光和透射光就是這樣。

（5）當(dāng)一束光通過介質(zhì)時(shí)，在入射光方向以外的各個(gè)方向觀察到光輻射的強(qiáng)度與入射光波長（λ）以及微粒尺寸大小（d）有關(guān)，Rayleigh散射（d≤0.05λ）研

由公式可知，散射光強(qiáng)度i與入射光波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強(qiáng)；散射光強(qiáng)度與粒子體積V的平方成正比，這說明粒子尺度對光散射的重要性；散射光強(qiáng)度與單位體積內(nèi)的粒子數(shù)N成正比，分散相粒子與分散介質(zhì)的折射率（n1、n2）相差愈大，散射作用愈強(qiáng)。值得注意的是，如果膠體膠粒的濃度較大或膠體粒子在體系內(nèi)排列較整齊時(shí)，每個(gè)粒子所產(chǎn)生的散射光相互干涉，可使散射光消失。

4 思考及啟示

高中教材采用了硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體對比的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從目前的實(shí)驗(yàn)效果看并不好，因?yàn)楫?dāng)采用綠色或藍(lán)紫色激光時(shí)，硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體兩者都有明顯的丁達(dá)爾現(xiàn)象。我們認(rèn)為作為課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有穩(wěn)定的演示結(jié)論，而硫酸銅溶液不具備演示結(jié)論的穩(wěn)定性，用紅色激光沒有丁達(dá)爾現(xiàn)象而用綠色或藍(lán)紫色激光就有，這種情況容易使教學(xué)效果打折扣。所以根據(jù)表2如果把硫酸銅溶液換成醫(yī)用酒精，這時(shí)即使采用不同顏色的激光，也會(huì)出現(xiàn)教材上描述的溶液有微弱丁達(dá)爾現(xiàn)象的結(jié)論。另外對配好的溶液而言減少對其擾動(dòng)或放置一定時(shí)間后再做丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)并且和膠體分散系對比效果較好；另一方面由于激光技術(shù)的普及，各種激光顏色的激光筆進(jìn)入家庭，使得各種情況的丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象廣泛進(jìn)入學(xué)生的視野，由此引起的問題是學(xué)生對丁達(dá)爾效應(yīng)的各種疑問，這不能不說對教師的教學(xué)帶來了新的問題。因此在這樣的背景下深入研究丁達(dá)爾效應(yīng)以及相關(guān)的理論問題對教師搞好化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的啟示。

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