1 背景
或许，不少人都有过这样的经历。清晨走在一片小树林里，那片林中尚未散去的潮气凝成了一层薄薄的雾气，初起的太阳从林侧斜斜地射入阳光。那时，虚无的光有了形态，化作林间缝隙间的一道道光束[1]。这是阳光穿透云层时，借由空中的微尘和粒子，在天地之间延伸出一条条无边界的光线（见图1）。这种自然现象被称为“丁达尔效应”，意喻“有了形状的光”。
图1. 森林中的光束（图源自网络）
2 生活中的丁达尔效应
在日常的生活中，丁达尔效应无处不在：早晨，从林间树木枝叶缝隙射入的一道道光线，形成一道道光柱，这是丁达尔效应；当太阳落山或雨后云层较多时，大气中有雾气或灰尘，正好被太阳光投射在上面，形成成一条条“光路”，这也是丁达尔效应；在漆黑的环境中，譬如电影院投影仪发出的光束，或者在一个有灰尘的屋子里，光线透过窗户从外面外射进来，这些都是丁达尔效应。同样的，黑暗中的聚光灯、漆黑环境下的手电筒光柱、夜间激光灯、舞台灯光（见图2）等都是丁达尔效应。
图2. 舞台灯光呈现的丁达尔效应（图源自网络）
在摄影界，将丁达尔效应趣称为“耶稣光”，其看起来十分圣洁、壮观。一般情况下，“耶稣光”不会在晴朗的正午出现，大多出现在清晨、日落时分、雨过天晴时或是雾气多的山区都容易形成“耶稣光”。只有阳光、云层、尘埃和雾气等微小颗粒等条件汇聚一处，且当颗粒浓度及厚度达到一定标准时，它才会到来。这些时候，大气中的尘埃、雾气等微小颗粒物就是光的传输媒介，当正巧处于太阳投射面时，就会产生散射现象，阳光穿过厚厚的云层，从而产生一道道巨大的光柱，形成万丈光柱的明亮效果（见图3）。在这个时候，摄影爱好者可以选择一个比较暗淡的背景，把光圈调小，利用点测光来产生明暗的反差对比，记录下这幅美丽的图画。
图3. 耶稣光（图源自网络）
除了黑夜，丁达尔效应也在恶劣天气中起到了作用。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误判信号灯指示，从而导致交通事故的发生。为了帮助驾驶员准确辨别交通信号，于是研究者利用了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，帮助行人和驾驶员能够准确辨别交通信号的变换情况，避免误判引发事故。
3 化学中的丁达尔效应
丁达尔效应最开始是由英国物理学家约翰·丁达尔首先发现和研究与光相关的一个特殊现象。在现代，我们初次了解丁达尔效应是来源于中学化学课堂中——如何区分溶液与胶体这一知识点。在中学化学课本上，是这样定义的：当一束可见光通过胶体时，可以看到一条光亮的“通路”。这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光的散射（光波偏离原来的方向而分散传播）形成的，叫做丁达尔效应[2]。
在中学化学课堂上，老师通常会带领学生做一个实验：拿出两个烧杯，一个烧杯里装入硫酸铜溶液另一个烧杯装入氢氧化铁胶体，然后用红色激光笔照射，在与光束垂直的方向进行观察，可以看到氢氧化铁胶体中有一条光亮的“通路”，而光束通过硫酸铜溶液时，看不到这一现象（见图4）。这是因为胶体粒子对光线散射形成光亮的通路，这种现象被称之为丁达尔效应，可以被用来区分胶体与溶液。
图4. Fe(OH)3胶体和CuSO4溶液与激光笔（图源自网络）
结合《物理化学》中关于AgI胶体的制备与组成的描述[3]，联想氢氧化铁胶体的组成，如下图所示：
图5 氢氧化铁胶体的组成[4]
这一现象原理是：一般情况下，可见光波长约在400～700nm之间。在传播过程中，如果光通过胶体溶液，由于分散质粒子的直径一般在1～100nm之间，小于入射光的波长，会发生光的散射现象，使人们从而看见光柱，出现丁达尔现象。
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，这时观察到的是光波环绕粒子而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶胶粒子的直径一般不超过100 nm，小于可见光的波长（400-760 nm），因此，当可见光透过溶胶时会产生明显的散射作用。而对于溶液，虽然分子或离子的直径更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，溶液对光的散射作用很微弱。此外，散射光的强度还随分散系中粒子浓度的增大而增强。因此，在进行观察丁达尔效应的实验时，溶胶中粒子的浓度不要太小。
在化学中通常将丁达尔效应用来区分溶液和胶体。从微观角度来看，溶液和胶体的本质区别是分散质粒子直径大小的不同，可通过微粒检测仪鉴别粒子大小，但是在实际生产生活中，每次都需要用精密仪器来测量，是很不方便的。由此，人们由微观检测粒子大小转向为宏观现象，一般采用激光笔照射标签不明的两种液体（溶液和胶体），通过观察与光束垂直的方向，可以看到有一条光亮的“通”路，从而大大节约的区分溶液和胶体的时间和成本。
要产生丁达尔效应，除了需要光源，也需要胶体。云、雾、烟尘这些都是胶体，由于这些胶体的分散剂是空气，所以它们属于气溶胶。同样地，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[5]。
4 结论与展望
随着科学社会的不断进步，丁达尔效应应用的研究主要集中在检测与鉴定方向，通过构建检测物质与胶体微粒的关系，利用丁达尔效应对待测物质的浓度与形态变化进行检测，减少了检测与鉴定技术对大型科学仪器的依赖，降低了检测成本。并且基于丁达尔效应的检测技术通常可以做到即时或数分钟内得到检测结果，显著提高了检测速度[6]。丁达尔效应在生活中以多姿多彩的颜色呈现出来——也是光的一种浪漫。
参考
文献
[1] 邓钰.丁达尔效应 光的浪漫馈赠[N].海南日报,2022-11-07(B08).
[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019.
[3] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学（下册）［M］.北京：高等教育出版社,2009.
[4] 肖华，杨英.氢氧化铁胶体制备实验的探究及思考[J].实验教学与仪器,2022,39(Z1):71-72.
[5] 本刊综合.当丁达尔效应发生时，光有了形状[J].发明与创新(初中生),2021(11):38-39.
[6] 祝其非，陶日增，王志恒等.丁达尔效应的应用研究进展[J/OL].激光杂志：1-10[2023-10-18].
审稿人意见：
作者已按建议进行了修改，推荐发表，在发表前请提供图片的具体来源链接
作者：张帝凤
作者单位：重庆三峡学院环境与化学工程学院