光也有形状吗?这是“丁达尔效应”

光也有形状吗?这是“丁达尔效应”
2024年05月24日 02:49 华西都市报

2021年11月25日,云南大理洱海上空出现的“丁达尔效应”。图据视觉中国

2022年9月25日,云南临沧,夕阳透过云层出现“丁达尔效应”。图据视觉中国

拍摄于奥地利哈尔施塔特的“丁达尔效应”。李昊皎摄拍摄于奥地利哈尔施塔特的“丁达尔效应”。李昊皎摄

  光有形状吗?近日,在云南省临沧市多地上空出现“丁达尔效应”,一缕缕阳光透过云层缝隙照射到茶园,清晰可见的光路,落在地面变成澄明的光圈,十分壮观。

  相信有小朋友去森林公园的时候,也看到过这样的场景:在清晨的小树林里,尚未散去的潮气凝成薄薄的雾气,太阳光斜射入林中。这时,光有了“形状”,化作树林缝隙的一道道光束。

  光是什么?“丁达尔效应”是如何让光有了形状?又是怎么影响我们日常生活的呢?

1光既是粒子又是波

  首先我们要了解,光是什么。

  光是人类眼睛可以看见的一种电磁波,也称可见光谱。在科学上的定义,光是指所有的电磁波谱。

  光是由光子为基本粒子组成,具有粒子性与波动性,称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限,一般我们人类眼睛所能看到的光波长在390-760纳米(1纳米=0.000000001米)之间。

  人眼对各种波长的可见光具有不同的敏感性。实验证明,正常人眼对于波长为555纳米的黄绿色光最敏感,也就是这种波长的辐射能引起人眼最大的视觉,而越偏离 555 纳米的辐射,可见度越小。

  我们日常生活中,看到的光来自太阳或产生光的设备,包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。

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丁达尔效应如何形成?

  实际上,我们说的丁达尔效应是光的散射。

  光的散射是指光通过不均匀介质时,一部分光偏离原方向传播的现象,偏离原方向的光称为散射光,散射光频率不发生改变就是丁达尔现象。

  这一现象是由英国物理学家约翰·丁达尔在1869年首次发现并描述的:在光的传播过程中,当光线照射到粒子时,如果粒子直径大于入射光的波长很多倍,则发生光的反射;如果粒子直径小于入射光的波长,则发生光的散射,称为散射光。

  想要发生光的散射,离不开一种叫做“溶胶粒子”的介质,这又是什么东西呢?

  云、雾、烟尘这些都是胶体,由于这些胶体的分散剂是空气,所以属于气溶胶;液溶胶是以液体作为分散剂的溶胶,如蛋白溶液、淀粉溶液等;固溶胶是以固体作为分散剂的溶胶,如有色玻璃等。

  大气气溶胶在地球的能量平衡、气候变化以及大气光学方面发挥着重要作用。首先,它们能够散射和吸收太阳辐射,影响地球表面的能量收支。其次,气溶胶在云的形成和性质方面起着关键作用,影响降水和云的辐射效应。最后,某些类型的气溶胶还能够影响大气中的化学反应,进而影响大气质量。

  由于溶胶粒子直径一般不超过100纳米,小于可见光波长(390—760纳米)。因此,当可见光透过溶胶时会产生明显的散射作用。但对于溶液,虽然分子或离子直径更小,但因散射光强度随散射粒子体积减小而明显减弱,因此,溶液对光的散射作用很微弱。

  其实,在现实生活中,丁达尔效应并不罕见,重庆三峡学院环境与化学工程学院副教授、硕士生导师牟新利表示,如果清晨走进一片小树林,林中尚未散去的潮气凝成一层薄薄的雾气,太阳光斜射入林中,这时,光便有了“形状”,化作树林缝隙间一道道光束。当阳光穿透云层时,借助空中的微尘和粒子,也会在天地间延伸出一条条无边界的光线,这种自然现象就是现实生活中的丁达尔效应。

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丁达尔效应有哪些应用?

  随着光学理论蓬勃发展,丁达尔效应的应用领域有了很大程度扩展。

  在雾霾、沙尘暴等恶劣天气出现时,由于能见度低,汽车驾驶员常常因看不清楚信号指示灯而产生误判,从而可能导致交通事故发生。

  为了帮助驾驶员准确辨别交通信号,研究者利用丁达尔效应设计了一种新型交通信号灯辅助装置。在红灯亮时,路口信号灯散发多道光束,形成视觉冲击,帮助行人和驾驶员准确辨别交通信号的变换情况,避免误判引发事故。

  在环境科学中,丁达尔效应也有很大作用,它可以用于监测大气中的污染物和悬浮颗粒物。这是因为当光线穿过含有微小颗粒的空气时,由于颗粒物的散射作用,可以观察到光线的传播路径。

  丁达尔效应在工业生产和食品安全领域也有一定应用,例如,可用于疏水材料生产、提高太阳能电池光转化效率、白酒鉴定、茶叶农药残留检测等。华西都市报-封面新闻记者边雪

  综合海南日报、中国科普网、生态环境学报

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