تاثیر اندازه ذرات پودر، شفافیت و شدت نور بر رنگ پودر
چکیده:
در زندگی روزانه، رنگ مواد در بعضی از شرایط تغییر می کند. این مقاله به طور کلی به مطالعه فاکتورهای موثر بر رنگ پودرها پرداخته است. تاثیر اندازه ذرات پودر شده، شفافیت پودر و واسط حلال روی رنگ پودر در این راستا مورد ارزیابی قرار گرفته است.
نوآوری صورت گرفته در این مقاله بر پایه اندازه گیری کمی و تحلیل رنگ پودرهای آسیاب شده با شیوه اندازه گیری طول موج و شدت نور با استفاده از طیف سنج می باشد.
پیشگفتار
در زندگی روزمره انسان ها دیدن پودرهایی که پس از آسیاب شدن مواد و خرد کردن آن ها به وجود می آیند و ممکن است دارای رنگ متفاوتی در مقایسه با ماده اصلی (قبل از آسیاب شدن) باشند چندان سخت نیست.
ویژگی های ظاهری پودر از نظر رنگی که به چشم انسان دیده می شود در مرحله اول وابسته به درجه پراکندگی نور از آن می باشد.
هر چه پدیده پراکندگی نور شدت بیشتری داشته باشد و زمان تفرق آن بیشتر باشد، رنگ پودر به نظر روشن تر خواهد آمد. در شکل ۱ می توانید این پدیده را که مربوط به پراکندگی و تغییر مسیر حرکت نور در پودر است مشاهده کنید.
علاوه بر این، پژوهش های انجام شده نشان می دهند که شاخص BROWNING مهم ترین شاخص تاثیرگذار بر رنگ ذرات است. این شاخص با میزان روشن بودن، قرمز و زرد بودن شدت نور مرتبط است. هر چه این شاخص بزرگ تر باشد رنگ تیره تر خواهد بود.
بر اساس نظریه Mie، میزان اشباع و وضوح تاثیر خاصی بر رنگ پودر دارند. با این وجود، نتایج پژوهش های انجام شده نشان می دهد که میزان روشن بودن و اشباع دارای تاثیر کمی بر رنگدانه ها یا رنگ آن ها دارند.
لازم به ذکر است بعضی از پژوهشگران بر این باور هستند و گمان می کنند که تفاوت دما یا تغییر دما روی رنگ پودر تاثیر می گذارد. با این وجود، نتایج پژوهش های انجام شده نشان می دهد که تاثیر دما بر تغییر رنگ پودر روشن نیست و مهم ترین فاکتور تاثیر گذار بر رنگ پودر اندازه ذرات و شدت نور در زمان نگاه کردن انسان به ذرات است.
در حوزه پژوهش اتمسفریک تفاوت رنگ های مشاهده شده به اندازه ذرات گرد و گازهای معلق در هوا وابسته است. در این حوزه همچنین شاهد وابستگی رنگ مشاهده شده به ضریب extinction و عمق نور (optical depth) هستیم.
از نظریه تشعشع (radiation theory) می توان این گونه نتیجه گرفت که ارتباطی بین معادله تشعشع نور و معادله پراکندگی نور و رنگ مشاهده شده وجود دارد.
دیاگرام نشان دهنده پراکندگی و پخش نور در شکل ۲ به نمایش درآمده است. در پی این پراکندگی می توان دید که هر سطحی دارای قانون تغییر رنگ خاص خود هستند.
پژوهش هایی با نگاه عمقی به نتیجه اضافه کردن حلال ها به پودرها انجام شده است که نشان می دهد که هر چه شفافیت پودر بیشتر باشد، رنگ مشاهده شده روشن تر خواهد بود.
در این مقاله، فاکتورهایی که روی رنگ پودر تاثیر می گذارند مورد بحث قرار گرفته اند. به خصوص تاثیر شفافیت و حالت زجاجی پودر، اندازه ذرات پودر و وجود واسط های مختلف به علاوه شدت نور و تاثیر آن بر رنگ مشاهده شده توسط انسان مورد بررسی قرار گرفته اند.
تحلیل تئوری
۲-۱ قانون Beer-Lambert
با فرض این که پودر آسیاب شده ضخامت و ماتی لازم را به اندازه کافی دارد، با استفاده از این قانون و مراجع علمی موجود می توان به طور کامل پدیده رنگ زدایی و بی رنگی پودر را شرح داد.
از شکل ۳ می توان دید که وقتی یک پرتو نور تک رنگ (monochromatic) که دارای پرتوهای موازی است، به طور عمودی از ذرات یکنواخت عبور می کند (که این ذرات می توانند مایع، جامد یا گاز باشند)، میزان جذب نور A به طور مستقیم متناسب با غلظت c (غلظت مواد جاذب یا پودر) و ضخامت لایه جاذب b است و علاوه بر این نشان داد که میزان جذب نور به طور معکوس با پراکنش (transmittance) T متناسب است.
بیان ریاضی این قانون با استفاده از روابط بیان کننده میزان جذب نور A به صورت زیر است:
در این رابطه A و T میزان جذب نور و میزان پراکنش هستند که به طور معکوس متناسب می باشند. k ضریب جذب مولی و b ضخامت لایه جاذب است. c با واحد مول بر لیتر نشان دهنده غلظت ذرات جذب کننده نور است.
با استفاده از این قانون می توان با استفاده از روش های تحلیل کمی نتیجه گرفت که برای پودرهایی که کامل تر آسیاب شده اند، غلظت ذرات جذب کننده نور کمتر است. برای همین در کل جذب کاهش می یابد و شدت انعکاس نور بیشتر می شود. برای همین رنگ مشاهده شده با توجه به نتایج تجربی روشن تر خواهد بود.
۲-۲ انعکاس پخش و بازتاب diffuse reflection
وقتی نور به سطح پودر برخورد می کند، انعکاس نور و پخش یا بازتاب باید اتفاق بیفتد. هرچه سطح خشن تر باشد، و هر اندازه ذرات پودر کوچک تر باشند، پدیده بازتاب و انعکاس نور واضح تر مشاهده می شود.
از شکل ۴ می توان مشاهده کرد که هر اندازه سطح ناهموارتر باشد، همچنین هر چه ساختار سطح پیچیده تر باشد، پدیده بازتاب و انعکاس با وضوح بیشتری قابل مشاهده خواهد بود.
اجازه بدهید فرض کنیم که بازتاب انعکاس سطح ماده R باشد. همچنین فرض کنید شاخص متوسط انکسار T است.
اگر میانگین میزان ضریب بازتاب از یک سطح mc باشد و ضریب بخشی از پرتوهای نور که داخل ذره نمایان می شود x فرض شود، رابطه ای که بازتاب انعکاس نور را شرح می دهد به صورت زیر خواهد بود:
همان طور که از فرمول بالا قابل مشاهده است، بازتاب انکسار R متناسب با میانگین شاخص انکسار T است. هر چه آسیاب شدن پودر بیشتر از قبل باشد، میانگین شاخص انکسار بزرگ تر می شود و با افزایش بازتاب و قابلیت انعکاس، رنگ نور تیره تر می شود.
۳. آزمایش و نتایج تجربی
۳-۱ تاثیر شفافیت پودر بر رنگ آن
برای بررسی این موضوع، شکلات سبز، گچ زرد و برگ های پژمرده به اندازه های متفاوتی آسیاب شدند. برای شکلات سبز، قطر ذرات در شکل شماره ۱ بیش از ۱۰ میلی متر است. در شکل شماره ۲ قطر ذرات کمتر از ۱۰ میلی لیتر است.
شکل شماره ۳ ذراتی هستند که قطر آن ها کمتر از ۵ میلی متر می باشد. ذرات نشان داده شده در بخش شماره ۴ نیز دارای اندازه قطر کمتر از ۵ میلی متر هستند.
شکل ۵ – رنگ شکلات سبز قبل و بعد از آسیاب شدن با هم تفاوت دارد.
حال که در مورد تغییر رنگ شکلات سبز پس از آسیاب شدن صحبت شد، نگاهی به گچ زرد می شود. با نگاهی به شکل ۶ می توانید ببینید که رنگ این پودر به چه صورت است.
قطر ذرات در بخش شماره ۱ از شکل بیش از ۹ میلی متر است. قطر آن ها در بخش شماره ۲ کمتر از ۵ میلی متر می باشد.
قطر ذرات نشان داده شده در بخش شماره ۳ نیز کمتر از ۲ میلی متر است.
در نهایت در بخش شماره ۴ از این شکل اندازه قطر ذرات کمتر از ۰.۵ میلی متر می باشد.
شکل ۶- رنگ گچ زرد قبل و بعد از آسیاب شدن فرق کرده است.
به طور مشابه امکان بررسی تغییر رنگ برگ های پژمرده وجود دارد. همان طور که در شکل ۷ نشان داده شده است، قطر ذرات در بخش شماره ۱ بیش از ۵ میلی متر است. در بخش شماره ۲ قطر ذرات به کمتر از ۵ میلیم تر می رسد.
در بخش های شماره ۳ و ۴ به ترتیب قطر ذرات تشکیل دهنده پودرها به کمتر از ۲ میلی متر و ۰.۵ میلی متر رسیده است. تفاوت رنگ پودرها با آسیاب شدن به ذرات با اندازه متفاوت در این شکل نیز به وضوح دیده می شود.
در ادامه زیر نور آفتاب اقدام به آسیاب کردن مواد به اندازه های متفاوت شده است. در این پروسه از یک دوربین برای عکسبرداری از هر پودر برای چندین بار شده است. پس از آن میانگین مقادیر سه رنگ اصلی (R, B, G) گرفته شده است و نتیجه در جدول ۱ ثبت شده است.
با توجه به نتایج ثبت شده در جدول ۱ میانگین مقادیر سه رنگ اصلی به صورت بصری در شکل شماره ۸ به نمایش در آمده است که امکان مشاهده این نتایج برای شما وجود دارد:
شکل ۸ – تغییر در مقادیر R, G و B برای سه ماده (شکلات سبز، گچ زرد و برگ های پلاسیده و پژمرده).
برای شکل ۸ با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف جلو و پشت برگ ها، متوسط پارامترهای جلو و پشت برگ ها به منظور مقایسه اشیا در نظر گرفته شده اند. لازم به ذکر است منحنی سیاه رنگ نشان دهنده اطلاعات مربوط به شکلات سبز است. منحنی قرمز مربوط به داده های گچ زرد است و منحنی سبز نشان دهند اطلاعات مربوط به برگ های پلاسیده است.
از جدول ۱ و شکل ۸ می توان دید که برای شکلات سبز با شفافیت بالایی که دارد، وقتی که اندازه ذرات کوچک تر می شود، مقادیر R, G و B تمایل به افزایش دارند. برای همین این مقادیر برای پودرها به سمت بالا در حرکت هستند.
این در حالی است که رنگ پودر شکلات در حین کاهش اندازه ذرات دارای عمق کمتری می شود.
با این وجود، برای گچ زرد و برگ های پژمرده با شفافیت پایین، این مقادیر (مقادیر b, r, g) برای پودرهای آن ها برای ذرات کوچک تر تمایل به کاهش دارند. برای همین این مقادیر حرکتی رو به پایین را تجربه می کنند.
در این حالت رنگ پودرها با کاهش اندازه درات پودر عمیق تر می شود.
۳-۲ تاثیر اندازه ذرات بر رنگ پودر
از شکل ۸ و جدول ۱ می توان دید که آسیاب کردن ذرات بیشترین تاثیر را روی مقادیر B دارد و در مقایسه با تغییرات سایر مقادیر مربوط به R و G این تغییر بزرگ تر بوده است. این امر به دلیل شفافیت ذاتی این پودرها است که باعث می شود گرادیان مقدار B بیشترین تغییرات را در پروسه آسیاب کردن داشته باشد.
۳-۳ تاثیر اضافه کردن واسط های مختلف روی رنگ پودر
متغیرهای مستقل که ما در این جا مورد مطالعه قرار می دهیم نشان دهنده تاثیر اضافه کردن واسط های مختلف است. این کار با استفاده از اضافه کردن حلال به پودر گچ زرد در بخش شماره ۴ شکل نشان داده شده در بخش ۱-۳ (به عنوان پودر یا ماده مورد آزمایش) است.
در این آزمایش گوشی تلفن همراه ثابت نگه داشته شد تا از لرزش آن حین تصویربرداری جلوگیری شود. گرفتن عکس از پودرها زیر نور آفتاب انجام شد و در شکل ۹ امکان مشاهده نتایج برای شما وجود دارد.
تاثیر استفاده از واسط های مختلف در این شکل قابل مشاهده است. در این شکل هیچ ماده واسطی به پودر شماره ۱ اضافه نشده است. در پودر شماره ۲ آب مقطر به اندازه ۵ میلی لیتر به پودر اضافه شده است.
پودر شماره ۳ حاصل اضافه کردن ۵ میلی لیتر اتانول به پودرها به عنوان گروه آزمایشی سوم است.
در مرحله چهارم در پودر شماره ۴ شاهد اضافه کردن ۵ میلی لیتر اتانول و تاثیر ان بر رنگ پودر هستید.
جدول ۲ مقادیر مختلف R, G, B را برای پودرها با اضافه کردن حلال های متفاوت نشان داده است.
لازم به ذکر است در این پژوهش پردازنده رنگ دوربین تلفن همراه برای تشخیص مقادیر رنگ های پایه استفاده شد و نتیجه برای هر گروه در جدول ۲ به نمایش در آمد.
شکل ۱۰ – تغییرات مقادیر سه رنگ پایه پس از اضافه کردن حلال واسط به پودر.
از جدول ۲ و شکل ۱۰ می توان این گونه استنباط کرد که هر چه درجه نفوذ پودر گچ زرد در حلال بیشتر باشد، مقدار نوری که بازتاب داده می شود کمتر است و برای همین رنگ تیره تر به نظر می رسد.
۳-۴ تاثیر شدت نور بر رنگ پودر
با استفاده از گچ زرد و آزمایش روی پودرهای شماره ۱، ۳ و ۴ با اندازه های مختلف که به دلیل تفاوت در میزان آسیاب کردن گچ زرد بوده است و در بخش ۱-۳ مورد استفاده قرار گرفتند می توان تاثیر شدت نور را بر رنگ آن ها مشاهده کرد.
این پودرها در شدت نور متفاوت در معرض نور خورشید قرار گرفته اند، نتایج برای عکسبرداری با زوایه ثابت ۹۰ درجه و از فاصله ثابت ۲۵ سانتی متری با یک طیف سنج برای اندازه گیری نتیجه به دست آمده در چند نوبت قابل مشاهده است. بهترین نتایج به دست آمده در شکل ۱۱ به نمایش در آمده است.
با نگاهی به طیف اندازه گیری شده که در شکل ۱۱ قابل مشاهده است، می توان نتیجه گرفت که میزان آسیاب شدن ذرات روی انعکاس نور از سطح ذرات تاثیر می گذارد. هر چه ذرات دارای جلای بیشتری باشند، می توان انتظار داشت که شدت نور بازتاب شده از سطح آن ها بیشتر باشد.
لازم به ذکر است این تغییرات در اندازه شدت نور است که باعث می شود میزان تیرگی پودرها تغییر کند. بررسی سایر پودرها با اندازه های متفاوت نتیجه مشابهی را برای پودرهای به دست آمده از آسیاب سایر مواد در این آزمایش به دنبال داشت.
۴ – نتیجه گیری
برای این که بتوانیم موفق به ارزیابی فاکتورهای موثر بر رنگ انواع پودر شویم، با کنترل کردن متغیرهای آزمایشگاهی و انجام یک پژوهش امکان تحلیل داده های به دست آمده فراهم شد و به نتایج زیر دست یافتیم:
- هر چه یک ماده شفاف تر باشد، رنگ پودر روشن تر خواهد بود. هر چه رنگ پودر مات باشد، رنگ پودر تیره تر به نظر خواهد رسید.
- هر چه حلال واسط که دارای مواد ساینده و پودر است دارای رطوبت بیشتری باشد، عمق رنگ موادی که با چشم مشاهده می شوند بیشتر است.
- درجه پودر شدن مواد پس از آسیاب شدن طول موج رنگ منعکس شده از مواد را دچار تغییر نمی کند. با کوچک شدن اندازه ذرات پودر تنها شدت نور منعکس شده از ذرات پودر دچار تغییر خواهد شد.
- دلیل تغییر در شدت نور بارتابیده شده از سطح پودر به دلیل تغییر در بازتاب انعکاس از سطح ماده است. هر چه مواد بیشتر آسیاب شوند، شدت نور منعکس شده از سطح آن ها بیشتر شده و برای همین است که رنگ پودر دچار تغییراتی می شود.
- نتایج این پژوهش نشان می دهد که شفافیت پودر یا حالت زجاجی پودر، اندازه ذرات پودر، شدت نور تابیده به پودر و طبیعت حلال واسط که به آن اضافه می شود جزو مهم ترین فاکتورهای تاثیرگذار بر رنگ آن خواهند بود.
