Come studiare la dispersione della luce

Perché il cielo ci appare blu, nonostante lo spazio (ad esempio dietro gli astronauti della Stazione Spaziale) sia nero come la notte anche sotto il sole splendente? E cosa hanno in comune le iridi blu degli occhi ed i fari delle automobili visibili nelle notti nebbiose? Entrambi derivano dal cosiddetto “effetto Tyndall”, la dispersione della luce da particelle fini disperse in un mezzo di trasmissione della luce. I bei colori di molte pietre preziose e vetri opalescenti, lo scintillio delle stelle e la visibilità delle code delle comete sono altri esempi dell’effetto Tyndall. Ecco come possiamo riprodurlo e studiarlo in modo semplice.

A differenza della Luna, la Terra è circondata da un’atmosfera. L’atmosfera è una miscela di gas, principalmente azoto e ossigeno. Il modo in cui la luce del sole attraversa l’atmosfera rende il cielo colorato. Perché blu? Non sembra, ma la luce è composta da diversi colori, come si vede in un arcobaleno. Ognuno di questi colori viaggia in un’onda, ma la lunghezza d’onda varia: la luce rossa ha una lunghezza d’onda lunga, mentre la luce blu ha una lunghezza d’onda molto più corta.

Quando la luce del Sole entra nella nostra atmosfera, le onde si scontrano con le molecole di gas. Le lunghezze d’onda più lunghe, come il rosso e il giallo, passano dritte e ci appaiono come luce solare “normale”. Le lunghezze d’onda più brevi, come il blu, si scontrano con le molecole di gas e si disperdono in diverse direzioni (dispersione di Rayleigh). Alcune di esse riescono ancora a passare direttamente, ma il resto viene riflesso ai nostri occhi da tutte le direzioni, quindi l’intero cielo sembra blu.

La dispersione (scattering) di Rayleigh dà all’atmosfera terrestre il suo tipico colore blu.

Circa il 23% della luce solare totale incidente la Terra viene rimossa mediante dispersione nell’atmosfera; di questa quantità (di radiazione incidente), circa i due terzi alla fine raggiungono il suolo come radiazione diffusa. I processi di scattering radiativo dominante nell’atmosfera sono lo scattering di Rayleigh e lo scattering di Mie; sono elastici, il che significa che un fotone di luce può essere deviato dal suo percorso senza essere assorbito e senza cambiare la lunghezza d’onda.

Dispersione (scattering) e assorbimento sono le principali cause dell’attenuazione della radiazione solare da parte dell’atmosfera. Lo scattering varia in funzione del rapporto tra i diametri delle particelle (dei particolati nell’atmosfera) e la lunghezza d’onda della radiazione incidente. Quando questo rapporto è inferiore a circa 1/10, si verifica la dispersione di Rayleigh. In questo caso, il coefficiente di dispersione varia inversamente con la quarta potenza della lunghezza d’onda.

La diversa percentuale di dispersione della luce solare diretta al variare della lunghezza d’onda.

Il fenomeno della dispersione della luce da parte di particelle sospese è noto come effetto Tyndall, o scattering Tyndall, dal nome dello scienziato irlandese John Tyndall che per primo lo studiò ampiamente nel 1869. Esso si osserva quando la luce cade su particelle di diametro fra 40 e 900 nm sospese in un mezzo trasparente. Tali media non sono altro che sistemi colloidali, cioè quelli in cui particelle di dimensioni comprese tra 1 nm (10-9 m) e 1 μm (10-6 m) sono disperse in un mezzo continuo.

La dispersione della luce nei colloidi

La luce, attraversando una miscela colloidale, viene dispersa dalle sue particelle. Questo effetto è chiamato “effetto Tyndall”. Un colloide è una particolare miscela in cui una sostanza si trova in uno stato finemente disperso, intermedio tra la soluzione e la sospensione eterogenea. Questo stato “microeterogeneo” consiste quindi di due fasi: una fase costituita da una sostanza di dimensioni microscopiche (diametro da 88 nm a 1 μm) e una fase continua disperdente. Un noto esempio di colloide è il latte.

Differenza fra un colloide e una soluzione o una sospensione eterogenea. L’effetto Tyndall è caratteristico delle particelle relativamente grandi (scattering di Rayleigh), mentre le soluzioni mostrano lo scattering Raman, che è caratteristico delle molecole.

Solo i colloidi sono in grado di disperdere i raggi luminosi focalizzati su di essi. Nessun altro tipo di miscela consente questo processo. Pertanto, tale effetto può essere utilizzato per distinguere tra tipi di miscele. Le soluzioni che consentono questo effetto possono essere definite colloidi. Tutti abbiamo imparato a conoscere i tre diversi tipi di miscele: soluzione, colloide e sospensione. Differiscono tra loro semplicemente in base al grado di solubilità del soluto nel solvente.

L’effetto Tyndall permette di confrontare due miscele fra loro.

Una soluzione è un tipo di miscela in cui le particelle di soluto si dissolvono completamente nel solvente. In caso di sospensione eterogenea, invece, le particelle non si dissolvono affatto. Un colloide è intermedio tra una soluzione e una sospensione. Le sue particelle sono troppo piccole per essere viste senza un ultra-microscopio, ma sono certamente più grandi di quelle di una soluzione. Comprendiamo ora l’importante ruolo svolto dalla dimensione delle particelle nel processo di Tyndall.

Questo fenomeno prende il nome dal fisico John Tyndall. Definisce il modo in cui diversi tipi di miscele reagiscono al passaggio della luce focalizzato su di essi. Per comprendere il concetto di questo effetto, dobbiamo capire quale delle lunghezze d’onda della luce viene riflessa e quali vengono, invece, trasmesse. Ebbene, le particelle di luce che hanno una lunghezza d’onda più corta sono diffuse dalla miscela colloidale, mentre quelle con una lunghezza d’onda più lunga possono passare.

Esempi di effetto Tyndall in azione in miscele colloidali.

Se consideriamo un raggio di luce focalizzato su qualsiasi colloide e una soluzione, le particelle di luce vengono “diffuse” (in pratica, risultano visibili) quando passano attraverso le particelle del colloide. Possiamo osservare un fenomeno analogo quando un intenso raggio di sole penetra in una stanza buia e viene reso visibile dalle piccolissime particelle del pulviscolo presente nell’aria. Tuttavia, nel caso di una soluzione, le particelle di luce non vengono diffuse, e dunque sono invisibili.

Fenomeni fisici come la riflessione e la diffrazione causano l’effetto Tyndall. Infatti, quando le particelle di luce si incidono sulla superficie corporea della particella, vengono riflesse. Alcune delle particelle che vengono trasmesse nella miscela vengono riflesse dalle pareti interne delle particelle. Oltre alla riflessione, è noto che si verifica anche il processo di rifrazione e diffrazione della luce. Questo fenomeno dipende fortemente dalla dimensione delle particelle della miscela.

L’effetto della dispersione Tyndall sul “cono Tyndall”. Un sistema di fuocheggiamento appropriato permette di far vedere come appaia un doppio cono quando un fascio di luce viene fatto passare attraverso della materia in uno stato colloidale, come già notato da Faraday. La luce maggiormente dispersa è quella di lunghezza d’onda più corta, o blu. 

Poiché l’intensità della luce dispersa dipende dalla differenza degli indici di rifrazione della fase dispersa e del mezzo di dispersione, il fenomeno può essere osservato in modo apprezzabile quando i due indici di rifrazione differiscono in misura considerevole. Per esempio, la differenza è apprezzabile nei colloidi “liofobi” (idrofobi se il mezzo disperdente è l’acqua). Ma nei “sol” liofobi, le particelle sono largamente solvatate, perciò la differenza è piccola e l’effetto Tyndall è debole.

Per questa ragione, i sol di acido silicico, albumina, siero sanguigno, etc. mostrano un piccolo o nessun effetto Tyndall. In altre parole, fra solvente e soluto si ha la formazione di complessi chimici (fenomeno noto come “solvatazione”). In chimica – è bene ricordarlo – un sol è una sospensione colloidale di particelle solide in un liquido, in cui le particelle hanno dimensioni comprese tra 1 nm e 1 μm. Secondo Rayleigh, l’intensità della luce dispersa può essere espressa dalla seguente equazione:

dove I è l’intensità della luce dispersa, v è il volume della particella, d è la distanza fra la particella e l’osservatore, λ è la lunghezza d’onda della luce dispersa. Inoltre, questa formula è vera per i materiali isolanti e non è applicabile alle particelle di metallo. Inoltre, dalla precedente equazione risulta evidente che le lunghezze d’onda più piccole risultano favorite e che alcuni sol – come ad es. il solfuro – mostrano un effeto Tyndall bluastro a causa del termine λ4 al denominatore.

In conclusione si può notare che, affinché un sistema mostri l’effeto Tyndall, devono essere soddisfatte due condizioni: (1) il diametro delle particelle della fase dispersa non devono essere molto più piccole della lunghezza d’onda della luce usata; (2) gli indici di rifrazione della fase dispersa e del mezzo di dispersione devono differire in modo considerevole. Ecco, infine, alcuni esempi comuni in cui vediamo l’effetto Tyndall all’opera:

  • I raggi del sole del primo mattino che attraversano una foresta, diffondono la luce. Se l’aria è nebbiosa e contiene minuscole goccioline di umidità, queste goccioline disperdono la luce. La miscela di aria e umidità è un colloide.
  • Un’auto (con i fari accesi) che passa su una strada nebbiosa è un esempio appropriato di questo effetto. La luce attraversa le particelle di nebbia e viene dispersa, che è l’effetto Tyndall.
  • Un altro esempio può essere un faro che si trova su una collina. I forti raggi di luce attraversano la miscela di aria colloidale, che provoca dispersione in essi.

Due tipici esempi dell’effetto Tyndall.

Come rendere visibile l’effetto Tyndall

Per effettuare questa esperienza hai bisogno del seguente materiale:

  • Latte o latte in polvere circa 20 g
  • 1 cucchiaino (se si utilizza latte in polvere)
  • 1 contagocce (o pipetta di plastica)
  • 1 piccola torcia o luce (meglio se a fascio regolabile)
  • 2 bicchieri o barattoli trasparenti (o becher di vetro da 250 cm cubi)
  • Acqua, abbastanza per riempire bicchieri o vasetti

Ecco la procedura per rendere visibile la dispersione della luce:

  1. Riempi i due bicchieri o vasetti con acqua.
  2. Mettili uno accanto all’altro.
  3. Prendi uno dei bicchieri pieni o barattoli e, usando un contagocce (o una pipetta di plastica), aggiungi gocce di latte fino a quando non appare torbido (circa 10 gocce).
  4. Se si utilizza latte in polvere, aggiungi piccole quantità di polvere (circa ¼ di cucchiaino) e mescola fino a quando l’acqua appare torbida.
  5. Con i due bicchieri o vasetti (bicchieri) affiancati, fai brillare la torcia attraverso entrambi.
  6. Che cosa osservi? Prova a spiegare cosa è successo.
  7. Ora prendi la torcia e posizionala all’esterno del bicchiere o del barattolo contenente la miscela di latte e falla risplendere verso l’interno attraverso la miscela di latte.
  8. Guarda la luce attraverso il liquido da diverse angolazioni.
  9. Descrivi il colore della luce da diverse angolazioni.

L’esperimento della dispersione della luce in acqua con un po’ di latte (a destra), mentre nel bicchiere di sinistra vi è solo acqua.

Puoi vedere la dispersione della luce mescolando mezzo cucchiaino di latte con un grande bicchiere di acqua (ad es. un quarto di litro). In una stanza buia, basta far brillare una torcia attraverso il barattolo e guardare l’acqua. Dovrebbe avere una tinta bluastra, perché le particelle di latte stanno diffondendo la luce blu dalla torcia proprio come fanno le molecole di gas nella nostra atmosfera. Ma allora potresti a questo punto chiederti: perché i tramonti sono invece rosa e arancioni?

Quando il sole è basso nel cielo, vicino all’orizzonte, la sua luce deve viaggiare attraverso molta più atmosfera per raggiungerci. La luce blu è così diffusa nell’atmosfera in più da attraversare che nessun raggio raggiunge i nostri occhi da quella direzione, lasciandoci invece vedere i bellissimi raggi rossi e arancio. A volte le nuvole o l’inquinamento atmosferico possono rendere un tramonto ancora più rosso, perché le particelle nella nuvola aiutano a disperdere le lunghezze d’onda più brevi.

Aggiungi un po’ più di latte al tuo bicchiere: le particelle di latte in più ti permettono di vedere una tinta arancione? Prova a guardare nel lato del bicchiere direttamente di fronte a dove si trova la torcia. È come guardare il sole all’orizzonte.

Quando il latte viene aggiunto all’acqua, le particelle di latte vengono sospese nell’acqua. Ogni luce che penetra colpisce queste particelle di latte e viene dispersa. Ciò significa che possiamo vedere la luce proveniente dal raggio della torcia, perché parte della luce è diffusa in diverse direzioni. Questa dispersione non si verifica nell’acqua, quindi il raggio non può essere visto in questo bicchiere. Quando la torcia viene messa sulla soluzione di latte e la luce viene attraversata da essa, la luce viene dispersa.

La torcia produce una gamma di diverse lunghezze d’onda della luce, quindi sembra bianca. Ogni lunghezza d’onda è dispersa in modo diverso, ciò separa le diverse lunghezze d’onda e quindi i colori della luce sono separati. Quando guardiamo attraverso il mix di latte da diverse angolazioni vediamo quei colori. La stessa dispersione della luce si verifica nella nostra atmosfera a causa delle particelle presenti nell’aria. Questo ci dà il nostro cielo blu e ci dà i tramonti rossi e gialli.

Varianti sul tema per altri esperimenti

Scoprirai che una quantità ottimale di latte (o latte in polvere) funziona con questo esperimento (10 gocce di latte o ¼ cucchiaino di latte in polvere). Inoltre, puoi verificare che le piccole torce a fascio stretto funzionano meglio per osservare il raggio luminoso. A questo scopo puoi usare anche un puntatore laser di Classe 2 (come quelli usati per le presentazioni o da un insegnante per evidenziare qualcosa su una lavagna). NON usare mai, per questo esperimento, laser più potenti.

Dimostrazione dell’effetto Tyndall. In questo caso, un puntatore laser è stato usato come sorgente luminosa. Il bicchiere a sinistra contiene 5 parti per milione (ppm) di argento colloidale e quello a destra dell’acqua di rubinetto. Il percorso del raggio luminoso può essere chiaramente visto nel bicchiere a sinistra.

Naturalmente, si può osservare la luce della torcia a molti angoli, ma non si può fare altrettanto con la luce laser. Infatti, non si deve MAI guardare direttamente la luce del laser, e nemmeno la luce laser riflessa o rifratta dal liquido o dal bicchiere. Per questo è fondamentale assicurarsi che il laser impiegato sia di Classe 2. Bisogna fare sempre attenzione con il puntatore laser, usandolo in modo estremamente responsabile, e il raggio non deve MAI essere puntato negli occhi di nessuno.

Infine, puoi effettuare gli esperimenti descritti anche usando altre miscele colloidali. Molte sostanze a noi familiari sono colloidi, come il burro, la maionese, l’asfalto, la colla, la nebbia e il fumo. A seconda del tipo di fase dispersa (liquido, solido o gas) e fase continua si possono distinguere numerosi tipi di dispersioni colloidali: ad es. sol e aerosol. Due miscele colloidali piuttosto comuni sono: (1) farina e acqua; (2) zucchero di canna e acqua, che possono essere oggetto insieme di un semplice esperimento.

Vari tipi di dispersioni colloidali.

Quando focalizziamo una torcia su due becher in sequenza 1-2 (vedi figura qui sotto), i raggi luminosi passano attraverso la prima miscela / becher, quella di farina e acqua. Anche se la seconda miscela (con zucchero di canna) è una soluzione chiara, la luce cessa di attraversarla. Ciò perché le particelle di farina hanno dimensioni maggiori e hanno una superficie maggiore rispetto alle particelle di zucchero rosso. A causa della loro superficie, disperdono le particelle di luce, il che provoca l’effetto Tyndall.

Dispersione della luce nelle miscele colloidali appena illustrate.

L’effetto Tyndall viene può essere utilizzato per identificare se una miscela è un colloide, un liquido puro o una soluzione vera. La luce visibile si diffonde in varie direzioni in una dispersione colloidale, mentre un liquido puro o una soluzione reale non mostra la dispersione del percorso luminoso. Pertanto, l’osservazione dell’effetto Tyndall indica l’esistenza di una dispersione colloidale. Questo effetto è stato osservato nei colloidi con un minimo di 0,1 parti per milione (ppm) di fase dispersa.

AVVERTENZE. Il rischio derivante da un laser è espresso dalla “classe” di potenza del laser, sebbene le definizioni di classe siano cambiate negli ultimi anni. Ad un’estremità della scala, i puntatori laser di Classe 1 (potenza < 0,04 mW) sono sicuri per la normale visualizzazione. I danni agli occhi causati dalla visualizzazione diretta del raggio di una penna laser (ad es. per lavagna luminosa) di Classe 2 ( potenza < 1 mW) sono in genere evitati dalla risposta del battito di ciglia.

Invece, i laser di Classe 3 – che si divide in Classe 3A (potenza < 5 mW, che può avere luce rossa o azzurrina) e in Classe 3B (potenza compresa fra 5 mW e 500 mW, laser di colore verde o viola) – possono danneggiare un occhio prima che abbia il tempo di battere le palpebre e possono potenzialmente causare lesioni agli occhi, specie nelle mani di un operatore distratto o non addestrato. Pertanto, non devi guardarlo mai direttamente e nemmeno riflesso da una superficie, né puntarlo verso altre persone!

Schema delle classi potenza dei laser e la legislazione che li regola in Italia.

Mentre per i laser di Classe 1 e 2 sono liberi la vendita, il porto e l’uso, per quelli di Classe 3 e 4 la vendita è consentita solo da parte di rivenditori autorizzati e per usi professionali, ed il portarli in giro (il “porto”) e l’uso non professionale sono proibiti (art. 4 n.2 legge 110/75). Pertanto, a meno che tu non ne faccia un uso professionale (ad es. didattico), non puoi acquistarli o usarli, e se lo fai automaticamente te ne assumi le conseguenze, come pure quelle di eventuali danni prodotti a te stesso o agli altri.