틴들 효과
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1. 개요
틴들 효과는 빛이 콜로이드 또는 미세 입자에 의해 산란되는 현상을 말한다. 19세기 과학자 존 틴들은 빛의 산란 현상을 연구했으며, 1902년에는 리하르트 아돌프 지그몬디와 헨리 지덴토프가 초미세 현미경을 개발하여 틴들 효과를 관찰하고 금 나노 입자 크기를 측정했다. 틴들 효과는 빛의 파장보다 작은 입자에 의한 레일리 산란보다 강하게 나타나며, 푸른 눈의 색상, 햇빛이 구름을 통과할 때 나타나는 현상 등과 관련이 있다.
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| 틴들 효과 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 현상 유형 | 광학 현상 |
| 관련 인물 | 존 틴들 |
| 설명 | 콜로이드 현탁액 내의 미세 입자에 의한 빛의 산란 |
| 상세 정보 | |
| 원인 | 빛이 입자와 상호 작용할 때 발생 |
| 특징 | 빛의 파장에 따라 산란 정도가 다름 |
| 관련 현상 | 레일리 산란, 미 산란 |
| 응용 분야 | |
| 예시 | 우유의 빛깔 하늘이 푸르게 보이는 현상 연기가 푸르게 보이는 현상 |
| 추가 정보 | |
| 기타 | 입자 크기가 빛의 파장과 비슷할 때 가장 잘 나타남 |
2. 역사
존 틴들은 19세기 영국의 과학자로, 분자 수준에서 복사열의 흡수와 방출에 대해 연구하던 중 빛이 미세 입자에 의해 산란되는 현상을 발견하였다.[2] 틴들은 실험을 위해 부유 먼지와 기타 미립자를 제거한 공기가 필요했는데, 이러한 미립자를 감지하는 가장 좋은 방법은 공기에 강렬한 빛을 쪼이는 것이었다. 1860년대에 틴들은 빛을 이용한 여러 실험을 통해 다양한 기체와 액체에 빛을 통과시키고 그 결과를 기록했다. 이 과정에서 틴들은 튜브에 점차 연기를 채우고 빛을 통과시켰을 때, 튜브 측면에서는 빛이 파란색으로 보이지만 반대쪽 끝에서는 붉은색으로 보이는 현상을 발견했다.[3]
레일리 산란은 빛을 산란시키는 입자가 빛의 파장보다 훨씬 작아야 한다는 수학적 공식으로 정의된다.[6] 입자 분산이 레일리 공식에 해당하려면 입자 크기가 대략 40nm(가시광선의 경우) 미만이어야 하며, 입자는 개별 분자일 수 있다.[6] 콜로이드 입자는 더 크며 빛의 파장 크기와 거의 비슷하다. 틴들 산란, 즉 콜로이드 입자 산란은[7] 더 큰 입자 크기로 인해 레일리 산란보다 훨씬 더 강하다. 입자 크기 요소가 강도에 미치는 중요성은 레일리 산란 강도의 수학적 표현에서 큰 지수를 보면 알 수 있다. 콜로이드 입자가 구면체인 경우, 틴들 산란은 미 산란 이론을 사용하여 수학적으로 분석할 수 있다.[6] 복잡한 모양의 입자에 의한 빛 산란은 T-행렬 방법으로 설명된다.[8]
푸른 눈의 색깔은 홍채의 기질 또는 홍채 앞쪽 층의 섬유혈관 구조 내에 미세하게 부유된, 직경 약 0.6μm의 수많은 작은 입자에 의한 빛의 산란 때문에 나타난다.[9] 갈색 눈은 같은 층을 가지고 있지만, 더 많은 멜라닌을 함유하고 있다. 적당량의 멜라닌은 헤이즐, 짙은 파란색, 녹색 눈을 만든다.
1902년, 리하르트 아돌프 지그몬디와 헨리 지덴토프는 초미세 현미경을 개발하였다. 칼 자이스 AG에서 근무하던 이들은 틴들 효과에 대한 호기심을 바탕으로 밝은 햇빛을 조명으로 사용하여 크랜베리 유리 색상을 생성하는 4nm 크기의 작은 금 나노 입자의 크기를 측정할 수 있었다. 이 연구는 지그몬디가 노벨 화학상을 수상하는 데 직접적인 영향을 주었다.[4][5]
3. 레일리 산란과의 비교
4. 푸른 눈
입자와 멜라닌을 모두 포함하는 눈에서는 멜라닌이 빛을 흡수한다. 멜라닌이 없으면, 층은 반투명하며 이 반투명 층으로 들어가는 빛의 상당 부분이 방사상 산란 경로를 통해 다시 나타난다. 즉, 후방 산란이 발생하여 빛의 파동이 다시 공기 중으로 반사된다.
산란은 짧은 파장에서 더 크게 일어난다. 긴 파장은 노란색 빛의 경로를 변경하지 않고 반투명 층을 통과하는 경향이 있으며, 홍채 뒤쪽 층인 갈색빛을 띠는 포도막이라고 불리는 빛 흡수체인 상피 세포를 만난다. 기질 내 입자의 탁한 매체와 함께 이 층에 의해 입자에 의해 산란된 푸른 빛의 밝기 또는 강도가 결정된다.
따라서 긴 파장은 짧은 파장만큼 공기 중으로 (산란에 의해) 반사되지 않는다. 짧은 파장이 푸른 파장이기 때문에, 이것은 눈에서 나오는 빛에 푸른 색조를 부여한다.[10][11] 푸른 홍채는 색상을 생성하기 위해 탁한 매체를 통한 빛의 간섭에만 의존하기 때문에 구조적 색상의 한 예이다.
따라서 푸른 눈과 갈색 눈은 탁한 매체와 멜라닌의 차이로 인해 유전적으로 변동되지 않는 방식으로 해부학적으로 서로 다르다. 두 종류의 눈 색깔은 "혼합"되어 있어도 기능적으로 분리된 상태로 유지될 수 있다.
5. 틴들 산란과 유사한 현상
흐린 날 햇빛이 구름의 탁한 층을 통과하면서 지면에 산란되고 산란광 (햇빛 줄기)이 발생한다. 이는 틴들 산란이 아닌 미 산란인데, 구름 입자가 빛의 파장보다 크고 모든 색상을 거의 동일하게 산란시키기 때문이다. 낮에 하늘에 구름이 없을 때는 산란 입자가 가시광선의 파장보다 훨씬 작은 공기 분자이기 때문에 레일리 산란으로 인해 하늘이 파란색을 띤다.[12] 마찬가지로, ''틴들 효과''라는 용어는 공기 중의 크고 거시적 먼지 입자에 의한 빛 산란에 잘못 적용되는데, 이는 먼지 입자의 큰 크기 때문에 틴들 산란을 나타내지 않기 때문이다.[1]산란 과정 입자 유형 입자 크기 결과 효과 레일리 산란 공기 분자 (N2|질소영어 및 O2|산소영어) < 1 나노미터 하늘의 파란색 틴들 산란 부유 상태의 콜로이드 입자 50 nm ~ 1 μm 파란색 산란광 미 산란 더 큰 공기 먼지 또는 구름 입자 > 1 마이크로미터 모든 색상이 동일하게 산란됨
6. 갤러리
참조
[1]
웹사이트
Tyndall Effect Definition and Examples
https://www.thoughtc[...]
2020-02-03
[2]
간행물
Biography of Tyndall
https://archive.org/[...]
American scientific monthly
1920
[3]
웹사이트
John Tyndall's blue sky apparatus
https://www.rigb.org[...]
2021-03-08
[4]
서적
Nobel Lectures, Chemistry 1922–1941
Elsevier Publishing Company
[5]
논문
The Invention of Immersion Ultramicroscopy in 1912-The Birth of Nanotechnology?
[6]
웹사이트
Blue Sky and Rayleigh Scattering
http://hyperphysics.[...]
2021-03-08
[7]
웹사이트
Chemistry - Colloids
https://opentextbc.c[...]
OpenStax
2021-03-08
[8]
논문
Using the T-Matrix Method for Light Scattering Computations by Non-axisymmetric Particles: Superellipsoids and Realistically Shaped Particles
https://onlinelibrar[...]
2002
[9]
간행물
Blue Eyes
https://archive.org/[...]
[10]
웹사이트
uni-hannover.de
http://www.itp.uni-h[...]
[11]
논문
Genetics of human iris color and patterns
[12]
논문
Human color vision and the unsaturated blue color of the daytime sky
[13]
서적
『大人も知らない？ふしぎ現象事典』
マイクロマガジン社
2021
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