hullámhosszának és a részecske a méretének arányától.
Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Fizikai Szemle 2001/3. 76.o.
Rajkovits Zsuzsanna, Illy Judit
ELTE Általános Fizika Tanszék
A színek kialakulása az élővilágban rendkívül összetett jelenség, megértéséhez kémiai, fizikai, és biológiai ismeretekre egyaránt szükségünk van. A több tudományterületet is érintő téma igen hasznos az oktatásban. A következőkben az élő természet színeinek keletkezésén keresztül megmutatjuk, hogyan kapcsolhatjuk össze biológiai és fizikai ismereteinket a természeti jelenségek mélyebb megértése céljából. Hogyan használhatók fel a biológia órán tanultak demonstrációként a fizika oktatásában.
A színek a biológiai rendszerekben, a madarak és rovarok világában gyakran festékszemcsékben, úgynevezett pigmentekben keletkeznek, hullámhosszfüggő fényabszorpció útján.
Bizonyos esetekben azonban a színek kialakulása a fény egy meghatározott szerkezeten történő szelektív szóródásának, interferenciájának, illetve diffrakciójának következménye.
A szórással, interferenciával és diffrakcióval létrejövő színeket szerkezeti vagy struktúra színeknek nevezzük [1]. Az interferenciával és diffrakcióval keletkező szerkezeti színek, akárcsak a szappanhártyák színei, rendszerint visszavert fényben láthatók.
Szórás
Ha az anyag atomjai, molekulái a beeső sugárzás hatására másodlagos sugárzás forrásaivá válnak, fényszórás jelenségéről beszélünk. A sugárzás természete függ a beeső sugárzás
hullámhosszának és a részecske a méretének arányától.
Rayleigh-szórás
Ha az arány a/
1/15 a szórt I, intenzitás erősen függ a hullámhossztól, a Rayleigh-törvény szerint fordítottan arányos a hullámhossz negyedik hatványával: I
s = 1/4
Az úgynevezett Tyndall-kék szín Rayleigh-szórással jön létre. Erőteljes kék szórás figyelhető meg azokon a részecskéken, melyeknek átmérője 1 nm és 300 nm közé esik. Jó szórócentrum lehet akár néhány atom vagy molekula is. A szórt fény színének kék és lila közötti pontos árnyalata a szórócentrumok eloszlásától, méretétől, alakjától függ.
Mie-szórás
Ha a szóró részecskék mérete eléri vagy felülmúlja a hullámhossz nagyságát, a Rayleigh-közelítés már nem alkalmazható. A nagyobb részecskéken bekövetkező szórást Mie-szórásnak nevezzük. Gömb alakú részecskék esetén, ha a méretük
és
2, közé esik, a szórás a beeső sugárzás haladásának irányában egyre intenzívebbé válik. A részecskeméret további növekedésekor már csak fehér szórás figyelhető meg, az intenzitás nem függ többé a hullámhossztól. Ez az a fehér szín, amelyet például a köd vagy az alacsony felhők vízcseppjein átnézve láthatunk.
Az intenzitáseloszlás meghatározása Mie-szórás esetén nagyon bonyolult, különösen akkor, ha a szórórészecskék mérete különböző. A módszer nagyon jól használható kolloid oldatok, aeroszolok, köd, füst vizsgálatakor a részecskék méretének meghatározására [2].
A Rayleigh-szórás látványos példája az élettelen természetben az ég kék, valamint a felkelő és lemenő Nap piros színe.
Miközben a fény áthalad a Vastag levegőrétegen, spektruma a kisebb (kék) hullámhosszú sávban a szóródás következtében jobban gyengül, emiatt a nagyobb hullámhosszúságú sáv intenzitása relatíve megnő. Szemünk a Napot ilyenkor pirosas színűnek érzékeli: A fényszóródás erősödik, ha nagy mennyiségű finom részecske kerül a felső légrétegekbe. Példaként említhetünk két megtörtént eseményt is: 1883-ban a Krakatau vulkán kitörésekor a levegőbe került sok apró porszemcse különösen mélyvörös naplementét eredményezett, és ez a látványos jelenség több mint három évig fennmaradt.
Erdőtüzekkor a felhevült fákból szerves anyag párolog a levegőbe, zömmel apró olajcseppek formájában, ami szintén csodálatos naplementét okozhat. Ha az olajcseppek mérete 500 nm körül van, a Nap vagy a Hold zöld vagy kék színűnek látszik. A jelenséget észlelték 1950-ben, amikor egy nagy kanadai erdőtűz után hatalmas felhő húzódott át az Atlanti-óceánon Európába.
Biológiai színezés
Az élő természetben a növények között a Tyndall-kék szerkezeti szín elég ritka, gyakori azonban az állat világban (1. ábra).
A legtöbb nem irizáló kék szín például egyes pillangók szárnyának; szép kék színe - tiszta szórás eredménye. A zöld és a bíbor szín kialakulásában is szerepe lehet fényszórási folyamatnak, ha a szóródás sárga, illetve piros színt eredményező adszorpcióval kombinálódik.
Ilyenkor a szórócentrumokat tartalmazó réteg mögött pigment is jelen van.
Az alapvető biológiai szórócentrumok a szövetekben található levegővel telt üregek, vagy zsír, protein, keratin vagy guanin kristályok, amelyek általában sötét melanin réteg felett helyezkednek el [3]. Szép kék szín akkor alakul ki, ha a melanin réteg fekete, amely az összes, a kéknél kevésbé szóródott fényt elnyeli. Amennyiben egy kevés sárga fény is reflektálódik a sötét rétegről, az eredmény zöld szín lesz. A gyenge piros reflexió pedig, ha szóródással is kombinálódik, bíbor színt eredményez.
A madártollak esetében a színezés az úgynevezett ágacskák felületén történik. A
2. ábrán egy madártoll vázának szerkezetét tüntettük fel. A kampókkal ellátott ágacskák egymást átfedve az ágak között helyezkednek el. Ezeket az ágacskákat három különböző anyagréteg fedi: felül egy körülbelül 10
m vastag, átlátszó szaruréteg van, ez alatt helyezkednek el- a szórásért felelős cellák, legalul pedig egy sötét melanin réteg található. A cellák szabálytalan alakú, 30-300 nm átlagos méretű, levegőt tartalmazó üregekből állnak. Ezek az üregek az aktuális szórócentrumok.
Három egyszerűen elvégezhető kísérlettel könnyen meggyőződhetünk a fenti szerkezeti felépítésről:
A kék szem
A vizes közegben jelenlévő protein, zsiradék, illetve rostos szövet finom keverékén történő fényszóródás következménye a szem kél. színe. Nemcsak embereknél gyakori, hanem néhány állatnál, például a 3. ábrán látható sziámi macskánál is megfigyelhető. A szivárványhártyáról való szóródással létrejövő szép kék szín kialakulását háttérként segíti a sötét melanint tartalmazó uvea réteg.
A kék szem korral járó fakulása a szórórészecskék méretének növekedésének eredménye. A nagyobb szórócentrumok jelenlétében ugyanis a kék Rayleigh-szórás helyett egyre inkább a fehér Mie-szórás válik uralkodóvá [4].
Szilva, kökény
A szilva és a kökény szép kék színét annak köszönhetik, hogy a fény a felületüket borító vékony viaszrétegen szóródik. Ezt a réteget akár a kezünkkel is letörölhetjük, ekkor a hamvaskék színük eltűnik, s megfigyelhető a fehér fény többi összetevőjét elnyelő sötétbarna háttér.
Interferencia
A jelenség: két vagy több hullám szuperpozíciójával létrejövő hullámjelenség. Az eredő hullám intenzitását a szuperponálódott hullámok fázisa és polarizációja határozza meg.
Biológiai eredetű színek
A biológiai rendszerekben található irizáló színek többsége többrétegű szerkezeten kialakuló vékonyréteg-interferencia eredménye. Az irizáló színezés szivárvány színű jelenség, a színek változnak attól függően, hogy milyen szögből nézzük a felületet.
Ugyanezt a jelenséget tapasztalhatjuk vékony szappanhártyák esetén is. A szappanhártyára eső fehér fény a hártya felületeiről visszaverődve színeire bomlik, a szivárvány színeiben pompázik.
A növényvilágban az interferenciaszínek ritkák, csupán néhány moha, illetve nedves tengeri alga esetén figyelhetők meg. Az algák kiszáradás után elveszítik irizáló tulajdonságukat [1].
Az állatvilágban azonban gyakrabban előfordulnak irizáló színek rovarok, bogarak, madarak, sőt, emlősök között is találkozhatunk velük.
Szitakötők, legyek
A szappanhártyák, illetve vízen úszó olajfolt felületén is megfigyelhető egyrétegű interferencia eredménye néhány rovar, bogár átlátszó szárnyának szivárványszíne. Szép példa erre a szitakötő és a házilégy.
Ha a szárny vékonyabb mint 50 nm - a szappanhártyákon kialakuló Newton-féle fekete hártyához hasonlóan -, erősítő interferencia nem jöhet létre [5].
Érdekes, hogy a 4. ábrán látható szitakötő esetében nemcsak szárny, hanem a testének egyes részei is biológiai festés miatt színesek. A testen tapasztalható ké színt fényszórás okozza. A rovar fejlődése egyik fázisában ugyanis kámfort választ ki magából, ami vékony rétegben befedi a testét, s a benne lévő részecskéken a kék fény szóródik.
A vastagabb szárnyak irizáló interferenciaszíneket mutatnak. Az 5. ábrán látható házilégy szárnya 50 nm vastag.
Kagylók, csigák
Vékonyréteg-interferencia okozza a kalcium-karbonát tartalmú kagylók, csillogását, az igazgyöngyök színét, a tengeri kagylók és csigaházak gyöngyházfényét is. Egy kagyló irizáló belső felületét mutatja a 6. ábra.
Páva
Sok madár tollazata “színjátszó"
Legszebb példa talán erre a páva tollazata, különösen jellegzetes a pávaszem. (7. ábra).
A madártollak esetén az irizáló színezés az ágacskák felületén jön létre.
Kolibri
 8. ábra Kolibri |
 9. ábra Mozaik szerkezet a kolibri szárnyán |
 10. ábra A kolibri tollának szerkezete |
A kolibrit (8. ábra) a “természet drágakövének" is szokták nevezni Gyönyörű színeinek köszönhetően úgy tűnik, mintha mindig izzásban ragyogásban lenne. A kolibri szárnyán lévő 200 x 100
m méretű ágacskákat 1 x 2,5
m nagyságú ovális lemezek százaiból álló mozaikréteg fed. amint az a
9. ábrán
látható. A lemezek vastagsága és törésmutatója akár ugyanazon madár tollának különböző helyein is nagyon változatos lehet. Ahol a törésmutató például n = 1,85, ott a tollak piros színűnek, ahol n = 1,5, ott kéknek látszanak. Az összes lemez ugyanabból az n = 2 törésmutatójú anyagból áll, de a tényleges törésmutató az anyaghoz kevert levegő arányától függően ennél szinte mindig kisebb érték [1].
A 10. ábrán egy kolibri tollának felületi szerkezete látható. Ahogy a szín változik pirosból zölden át kékig, a lemezel: vastagsága egyre csökken. A lemezvastagság olyan, hogy az effektív optikai úthossz megközelítőleg a domináns szín hullámhosszának a fele.
|
Fényszórás |
Fényinterferencia |
Fényelhajlás |
|
|
Szerkezet |
Mie-szórás:
Rayleigh-szórás:
|
|
|
|
Jellemző tulajdonságok |
|
|
|
|
Fizikai kísérlet |
Fénysugár a tejes vízben vagy AgNO3 híg vizes oldatában, vagy pár csepp alkoholos gyanta vizes oldatában |
|
|
|
Jelenségek a természetben |
|
|
|
Emlősök
Az emlősállatok körme, haja, szeme szintén mutathat irizáló színeket. Sötét haj esetén a hajszálak felületén mikroszkóp alatt láthatu nk csillogó interferenciaszíneket. Szinte mindennapi tapasztalat, ha sötétben megvilágítjuk egyes gerinces állatok szemét, akkor az fémes fényűen csillog. Ezek a reflexiók a “choroid" rétegben kialakuló többrétegű interferencia eredményeként jönnek létre. A macska szeme 15 rétegű és kedvező körülmények között gyönyörű fémes zöld reflexiót mutat. Kissé különböző szerkezet eredményezheti a kutyák esetén tapasztalható sárga színt.
Lepkék
A legszebb, fémes fényű kék színeket (metálkék) a lepkéknél figyelhetjük meg, amely eredete néhány Morpho családba tartozó trópus lepkefajnál vékonyréteg interferencia [1]. A 11. ábrán a Morphó vestira látható. A hímpor a lepkék szárnyán a szárnyfelületet ugyanis lemezesen, a tetőcseréphez hasonlóan borítja (12. ábra.) Szalóki Dezső fotója.
A Dél-Amerikában honos. 13 cm-es szárnytávolságú Morpho Retenor példányán a lemezek 0,1 mm méretűek, rajtuk körülbelül 200 nm széles bordázat látható. Ha a szerkezetet nagyobb felbontásban is szemügyre vesszük, akkor észrevehető a bordázat lábakon álló, háztetőszerű finomabb szerkezete (13. ábra.)
A bordák elrendezésének keresztmetszeti képén jelöltük a szárnyat érő és a felületről visszaverődő fénysugarakat (14. ábra.) E példányon a bordák törésmutatója n = 1,5, a borda és a légrés vastagsága egyaránt 90 nm. Az effektív optikai útkülönbség (merőleges megfigyelés esetén) 90 nm + 1,5 x 90 nm = 225 nm, amely éppen a 450 nm hullámhosszúságú kék fény hullámhosszának a fele [1].
Hasonló szerkezete lehet más családba tartozó lepkéknek is, s ha az effektív optikai útkülönbség 150 nm-nek adódik. az a 300 nm hullámhosszúságú, ultraibolya tartományba eső fényre ad erősítő interferenciát. A lepkeszárnyat mi nem látjuk színesnek, de a lepkék látnak ebben a hullámhossztartományban is, s a hím és a nőstény észreveszik egymást.
Diffrakció
A másodlagos hullámforrások által kibocsátott hullámok interferenciája a hullámfronton diffrakcióhoz vezet.
Biológiai színek
Az indigókígyó levedlett bőre (15.a, b. ábra) kétdimenziós, két különböző periodicitású diffrakciós rácsként működik. Az ismétlődő egységek egymástól való távolságát elektronmikroszkópos vizsgálatokkal meghatározták, ami jó egyezést mutatott más módszerrel - a spektrometriás analizissel - kapott eredményekkel.
15.a, b. ábra Az indigókigyó bőrének
szerkezete
A levedlett bőr egy részletének külső felülete, a CD-lemezhez hasonlóan, reflexiós diffrakciós rácsként működik. Jól látható a hullámos mintázat, amelyen (elektronmikroszkópos kép) a hullámvonallal párhuzamos, illetve merőleges rácsparaméter d = 1
m, illetve d = 2,5
m [6]. A két különböző hullámhosszú visszavert szín együttesen eredményez indigó színhatást. A levedlett kígyóbőrről készült színtelen anyagból készült replika, az elektronmikroszkópos vizsgálathoz szüksége lenyomat, a hasonló periodicitásának köszönhetően szintén indigó színűnek látszott.
Összefoglalás
Az előző oldalon található táblázatban összefoglaltuk azokat a demonstrációs kísérleteket is, amelyekkel a cikkben említett jelenségek a tanításban bemutathatók.
___________________________
Elhangzott a “Természettudományok tanítása a 21. század számára" konferencián Szegeden.
