Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 02.11.15


Tyndall-Effekt

Vortrag von Susanne Wolf im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS12/13


Gliederung:


Einführung. Wir sehen den Himmel jeden Tag in blauer Farbe und wenn die Sonne abends untergeht, färbt sich der Himmel orange bis rot. Warum ist das so? Wohin verschwindet das Himmelsblau und warum färbt sich der Himmel abends rötlich?

Abb. 1: blauer Himmel [5] Abb. 2: abendliche Rotfärbung [4]

1 Streuung in der Erdatmosphäre

Die Rot- und Blaufärbung des Himmels entsteht durch Streuung in der Erdatmosphäre bzw. an den darin enthaltenen Teilchen. Dort befinden sich sowohl die der Luft selbst (Sauerstoff und Stickstoff), als auch größere Aerosole, wie Rauch und Nebel.

1.1 Streuung

Durch das Sonnenlicht (elektromagnetische Strahlung) wird ein induzierter Dipol in den Molekülen / Teilchen angeregt und diese beginnen zu schwingen. Diese erzwungene Schwingung gibt wiederum Strahlung in Form von elektromagnetischen Wellen in alle Raumrichtungen ab. Findet die Streuung an den Molekülen der Luft selbst statt, spricht man von der Rayleigh- Streuung.

1.2 Rayleigh-Streuung

Hierbei ist die Teilchengröße viel kleiner als die Wellenlänge des Lichtes (Teilchengröße im pm-Bereich). Das Licht wird an diesen Teilchen gestreut.

Findet Streuung an den Aerosolen statt, tritt der Tyndall-Effekt auf. Die Teilchengröße entspricht dabei in etwa der Wellenlänge des Lichts (nm-µm).

Die Intensität der Streuung hängt sowohl von der Teilchengröße, als auch von der Intensität des Lichtes ab.

Das Spektrum an sichtbarem Licht geht von 380 bis 780nm, wobei der blaue Wellenlängenbereich bei 450nm und der rote bei 650nm liegt.

Anhand der oben genannten Formel wird ersichtlich, dass das kurzwelliges blaues Licht stärker gestreut wird, als langwelliges rotes Licht.

Erklärung für die Blaufärbung des Himmels: Tagsüber bei hohem Sonnenstand ist der Weg des Sonnenlichtes kurz, so dass auf der kurzen Strecke weniger Licht an den Teilchen in der Atmosphäre gestreut wird. Es entsteht blaues Streulicht.

Erklärung für das Abendrot: Am Abend muss das Sonnenlicht einen viel weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen. Auf diesem Weg wird der meiste Blauanteil weggestreut und nur noch das langwellige rote Licht kommt auf der Erde an.

    
Abb. 3: Schematische Darstellung des Weges der Sonnenstrahlen


2 Tyndall-Effekt

Der Tyndall-Effekt wird unter Zuhilfenahme zweier Versuche näher erklärt.

Versuch 1:

Experiment Schematische Darstellung der Streuung in der Erdatmosphäre
Material
  • stark verdünntes Wasser-Milch-Gemisch
  • hohes Glasrohr (h > 50 cm)
  • starke Taschenlampe
Chemikalien Keine  
Durchführung Das Wasser- Milch- Gemisch wird von unten mit der Taschenlampe durch den Glaszylinder beleuchtet.
Beobachtung Bei seitlicher Betrachtung erkennt man eine Blaufärbung des Lichtstrahls. Am Kopfende des Zylinders ist eine orange-rote Färbung des Lichtstrahls zu sehen.
Interpretation Der Taschenlampenstrahl wird an den in der Milch enthaltenen Fetttröpfchen gestreut.

Versuch 2:

Experiment Nähere Betrachtung des Tyndall-Effekts
Material
  • Kochsalzlösung
  • Seifenlösung
  • Taschenlampe
  • zwei gleiche Glasquader
Chemikalien
  • Natriumchlorid
  • Spülmittel
Durchführung Ein Lichtstahl wird seitlich durch beide Lösungen geschickt.
Beobachtung Kochsalzlösung: kein Lichtstrahl erkennbar

Seifenlösung: Lichtstrahl deutlich wahrnehmbar

Interpretation Kochsalzlösung: Wegen der geringer Teilchengröße von Natriumchlorid ist die Streuung an diesen Teilchen nicht für das menschliche Auge sichtbar.

Seifenlösung: Ist eine kolloidale Lösung, bei der sich die Seifenmoleküle zu größeren Mizellen zusammenschließen. An diesen wird das Licht gestreut und kann vom menschlichen Auge wahrgenommen werden.

Streuung gibt es in allen Phasen, fest, flüssig und gasförmig. Beispiel für Streuung in festen Phasen: der Schmuckstein Opal.


Abb. 4: Opal [3]

Verwendung des Tyndall-Effekts im Alltag:

  • Optische Rauchmelder (Rauchpartikel im Streulicht)

  • In der Augenheilkunde zum Nachweis von Entzündungen.


Abschluss:

  • Die blaue Farbe des Himmels und das Abendrot entstehen durch Streuung in der Erdatmosphäre

  • Die Streuung ist von der Wellenlänge abhängig: kurzwelliges Licht wird stärker gestreut als langwelliges Licht

  • Die Streuung ist von der Größe der Teilchen abhängig:

    • Teilchen viel kleiner als Wellenlänge: Rayleigh-Streuung

    • Teilchengröße nahe der Wellenlänge: Tyndall-Effekt

  • Der Tyndall-Effekt ist bei seitlicher Betrachtung sichtbar.

  • Streuung tritt in allen Phasen auf.


Literatur:

  1. Bergmann, Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Optik: Wellen- und Teilchenphysik, de Gruyter, Berlin 2004.
  2. Stuart, Klages, Kurzes Lehrbuch der Physik, Springer, Berlin 2003.
  3. http://www.itp.uni-hannover.de/~zawischal/IPT/streuung.html nicht mehr online + viele weitere Quellen
  4. http://www.gb-bilder.net/img/sonnenuntergang/AP920110420.jpg online am 11.10.2012 + viele andere Quellen
  5. http://www.fotos.sc/img2/u/milly/h/blauer_himmel_wolken.jpg nicht mehr online

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 02.11.15