L'effetto Tyndall è un fenomeno di diffusione della luce (scattering) generato dalla presenza di particelle con dimensioni comparabili a quelle delle lunghezze d'onda della luce stessa. Il fenomeno si verifica quindi nei sistemi colloidali, nelle sospensioni e nelle emulsioni. Venne scoperto dal fisico irlandese John Tyndall (1820-1893) che lo descrisse per la prima volta. L’effetto Tyndall è comunemente visibile in normali situazioni di vita quotidiana: ad esempio quando una sorgente di luce si trova in un’atmosfera nebbiosa, oppure ricca di fumo o di polvere.

La caratteristica colorazione del cielo è dovuta invece a un altro tipo di diffusione: la diffusione Rayleigh. Questo diverso tipo di scattering prende il nome del fisico inglese John William Strutt Rayleigh (1842-1919) che lo studiò estesamente. Questo fenomeno si verifica quando un raggio di luce colpisce particelle di dimensioni più piccole delle lunghezze d’onda della luce, quali le molecole dei gas che costituiscono l’aria. In queste condizioni il raggio di luce viene deviato in tutte le direzioni, tuttavia la luce viene diffusa con intensità diversa a seconda della sua lunghezza d'onda. Rayleigh dimostrò che l'intensità della luce diffusa dipende dall'inverso della quarta potenza della lunghezza d'onda. Poiché la luce del Sole è costituita da varie componenti con diverse lunghezze d'onda, corrispondenti ai colori dell'arcobaleno, verrà diffusa con intensità maggiore la componente con lunghezza d'onda minore. La lunghezza d'onda delle componenti della luce del Sole diminuisce passando dal rosso al violetto. Quindi l'intensità maggiore dovrebbe corrispondere alla luce violetta. Tuttavia, poiché tale componente è presente con debole intensità nella luce solare e poiché il nostro occhio è meno sensibile nei suoi confronti, l'effetto della diffusione che noi percepiamo è massimo per la componente azzurra. Quindi il cielo appare azzurro grazie alla presenza dell'atmosfera che agisce da mezzo diffondente. In assenza di atmosfera il cielo apparirebbe nero. Questo è confermato dagli astronauti nei loro viaggi al di fuori dell'atmosfera terrestre.

Il fisico Gustav Mie (1868-1957) nel 1908 studiò in maniera rigorosa il problema dello scattering di luce provocato da particelle ed elaborò una teoria completa e matematicamente rigorosa.

Il colore del solfato rameico è originato invece da un diverso fenomeno che non ha a che fare con la diffusione della luce., bensì con il suo assorbimento. Per comprendere la natura di questo fenomeno sono necessarie alcune considerazioni preliminari.

Un corpo trasparente appare colorato solo se è in grado di modificare le caratteristiche di un fascio di luce bianca che lo attraversa. La luce bianca, come accennato, è un insieme di diverse lunghezze d’onda che vanno all’incirca dai 400 ai 700 nm (nanometri, ovvero miliardesimi di metro). Quando un fascio di luce bianca attraversa un corpo colorato, alcune sue lunghezze d’onda possono essere assorbite dal corpo e di conseguenza la luce uscente è diversa da quella incidente e, colpendo il nostro occhio, produce una sensazione cromatica differente. Viceversa un corpo incolore non modifica le caratteristiche della luce che lo attraversa poiché non assorbe alcuna lunghezze d’onda che cadono all’interno dell’intervallo visibile al nostro occhio (può però assorbire fuori da tale intervallo, ad esempio nell’ultravioletto).

Il meccanismo che porta all’assorbimento di particolari lunghezze d’onda da parte di certe sostanze non è affatto semplice e una spiegazione dettagliata richiede inevitabilmente di fare ricorso a quella branca della fisica chiamata meccanica quantistica. Semplificando al massimo possiamo dire che secondo la meccanica quantistica la luce è un insieme di quantità elementari di energia (quanti o fotoni), ciascuna delle quali ha un energia direttamente proporzionale alla sua frequenza (ipotesi formulata da Max Planck nel 1900). L’energia di ciascun fotone è quindi tanto più alta quanto più elevata è la sua frequenza (o quanto più è bassa la sua lunghezza d’onda), mentre l’intensità di un fascio luminoso dipende dal numero di fotoni trasportati nell’unità di tempo e per unità di superficie.

La meccanica quantistica dimostra anche che un qualsiasi sistema materiale (quale ad esempio un cristallo di solfato rameico) ha a disposizione solamente stati elettronici discreti, cioè caratterizzati da valori di energia ben definiti e separati uno dall’altro. In pratica è come se l’energia che gli elettroni di un sistema microscopico possono possedere fosse una sorta di scala e se il sistema potesse stare solo sui vari gradini e non in posizione intermedia. Normalmente il sistema si trova sul gradino più basso, ovvero nello stato di minor energia (stato fondamentale). Quando viene colpito da un fascio di luce, può assorbire un fotone e portarsi su un gradino più alto, ovvero su uno stato di maggior energia (stato eccitato). Questo ovviamente è possibile solo se il fotone ha un’energia (e quindi una frequenza) che corrisponde esattamente al salto energetico tra i due stati. Se si verifica questa condizione la luce che fuoriesce dal corpo sarà impoverita di quei fotoni che hanno quella data frequenza e quindi apparirà di colore diverso.

La “distanza” tra i vari “gradini” energetici che un sistema microscopico possiede dipende dalla sua natura chimica. Nel caso del solfato rameico i responsabili dell’assorbimento sono gli ioni Cu⁺⁺ presenti all’interno del reticolo cristallino. I loro stati elettronici dipendono, oltre che dalle caratteristiche elettroniche del rame, anche dalla struttura del reticolo in cui sono collocati. Nel caso del solfato rameico idrato, all’interno del reticolo cristallino sono presenti 5 molecole d’acqua per ogni ione Cu⁺⁺ e questo fa sì che il cristallo assorba particolari frequenze nel campo della luce visibile e che quindi la luce che fuoriesce appaia azzurra. Nel caso del solfato anidro, le molecole d’acqua vengono eliminate. Questo fa sì che gli stati elettronici degli ioni Cu⁺⁺ vengano modificati e che l’assorbimento di luce nel campo del visibile non si verifichi più. Per questo motivo i cristalli appaiono bianchi.