Здавалка
Главная | Обратная связь

САХАРИМЕТРИИ, РЕФРАКТОМЕТРИИ.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ,

 

ПЛАН.

1. Центрированная оптическая система.

2. Микроскоп, ход лучей.

3. Разрешающая способность микроскопа.

4. Явление поляризации света. Закон Малюса.

5. Поляризация света при двойном лучепреломлении.

6. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия.

7. Исследование биологических тканей в поляризованном свете.

8. Преломление света. Рефрактометр.

 

1. ЦЕНТРИРОВАННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА.

В связи с компенсацией недостатков одиночных линз оптические системы в приборах, как правило, состоят из нескольких линз с общей главной осью. Такая система называется центрированной оптической системой (Ц. О. С.).

Центрированная оптическая система может состоять также из нескольких одиночных сферических поверхностей, разделяющих среды с различными показателями преломления (такова, например, оптическая система глаза).

При построении изображения предметов центрированная оптическая система рассматривается как одно целое, а ход лучей в ней определяется с помощью нескольких характерных точек и плоскостей.

Этот же прием применяется и при построении изображения в толстой линзе.

Прежде всего это два главных фокуса и (передний и задний), т. е. точки, в которых пересекаются лучи, параллельные главной оси, после преломления в системе. В этом система подобна одиночной линзе. В наиболее общем случае по обе стороны Ц. О. С. могут находиться среды с различными показателями преломления (например, оптическая система глаза). В этом случае переднее и заднее фокусные расстояния Ц. О. С, (или линзы) будут отличаться.

На главной оси имеются две точки и , называемые главными точками. Плоскости, проходящие через эти точки перпендикулярно главной оси, называются главными плоскостями. Они характеризуются тем, что луч, падающий на одну плоскость в точке М на расстоянии h от главной оси, выходит из второй плоскости в расположенной на таком же расстоянии точке М' (рис. 1).

Фокусные расстояния отсчитываются от главных точек системы. В одиночной тонкой линзе эти плоскости сливаются в одну главную плоскость, проходящую через оптический центр линзы.

На главной оси имеются еще две узловые точки и , через которые падающий и преломленный лучи проходят под одним и тем же углом к главной оси.

Если по обе стороны оптической системы находится одинаковая среда, например воздух, то узловые точки совпадают с главными точками. Для одиночной тонкой линзы все эти точки совпадают с оптическим центром.

Два фокуса, две главные и две узловые точки называются кардинальными точками центрированной оптической системы. Для построения изображения предмета пользуются способом, аналогичным одиночной тонкой линзе, т, е. используют известный ход двух лучей: луча, параллельного главной оси системы (проходит через точки М и М'), и луча, проходящего через узловые точки. Пример построения таким образом изображения А'Б' предмета АБ показан на рис. 1.

Необходимым элементом оптических систем, образующих изображение предметов, является оптическая диафрагма. Это непрозрачное тело (обычно экран) с отверстием, ограничивающее площадь сечения, или, как говорят, ширину пучка световых лучей. Отверстие диафрагмы располагается так, чтобы его центр совпадал с главной осью оптической системы, а .плоскость отверстия была ей перпендикулярна. Диафрагмой может служить также край или оправа линзы.

Диафрагма, расположенная перед входной линзой прибора, называется апертурной диафрагмой (вообще апертурной называется диафрагма, наиболее ограничивающая световой пучок, независимо от места ее расположения в оптической системе).

Апертурная диафрагма Д (рис. 2, а) ограничивает ширину световых пучков, поступающих в систему от отдельных точек предмета, а также не пропускает в систему лучи, идущие от точек предмета,, значительно удаленных от главной оси (например, точка N") и поэтому падающих на линзу под большим углом. Это способствует устранению аберраций и повышает резкость изображения, хотя при этом ограничивается количество световых лучей, попадающих в оптическую систему, т. е. уменьшается яркость изображения.

Апертурная диафрагма также ограничивает поле зрения; т. е. ту часть наблюдаемого предмета, которая дает изображение в оптической системе. Для определения границ поля зрения надо провести прямые от точек А, в которых пересекаются лучи, образующие входной угол , с диаметром линзы к краям отверстия диафрагмы (пунктирные линии AN).

Угол , равный половшие угла, под которым отверстие апертурной диафрагмы видно из точки О пересечения главной оси системы с плоскостью 'предмета (см. рис. 2, а), или, другими словами, половине угла, образованного лучами, идущими из этой точки к краям отверстия диафрагмы, называется апертурным углом оптической системы. Апертурный угол – это пространственный угол, ограничивающий конус световых лучей, попадающих в линзу. Апертурным углом называют также плоский угол при вершине этого конуса.

В микроскопе предмет помещается почти у самого переднего фокуса объектива, а апертурный угол ограничивается оправой самой линзы. Поэтому тангенс апертурного угла (рис. 2, б) равняется отношению радиуса R объектива к его фокусному расстоянию :

,

где D –диаметр линзы.

Величина D/f называется относительным отверстием, (D/f)2светосилой, объектива; эта величина, обусловливает яркость изображения, образуемого объективом микроскопа.

9. МИКРОСКОП, ХОД ЛУЧЕЙ.

 

Оптическая система простейшего микроскопа состоитиз двух линз: объвктиза и окуляра. Окуляр применяется также в зрительной трубе рефрактометра и спектроскопа, в поляриметре и других оптических приборах.

В простейшем виде окуляр – это собирающая линза, которую помещают перед глазом так, чтобы ее задний главный фокус примерно совпадал с оптическим центром глаза, а рассматриваемый предмет находился несколько ближе ее переднего фокуса (рис. 3). Лучи, исходящие из точек наблюдаемого в окуляр предмета (например, из точки Б), преломляются в линзе и выходят из нее слегка расходящимся пучком. Попадая в глаз, лучи преломляются в его средах и пересекаются на сетчатой оболочке, образуя действительное изображение предмета, значительно увеличенное по сравнению с тем, которое получилось бы при наблюдении предмета невооруженным глазом. Глаз относит это изображение к точкам пересечения продолжения лучей, попадающих в глаз. Совокупность этих точек образует мнимое изображение предмета (точка Б').

 
 

Рассмотрим ход лучей через окуляр и глаз: при построении изображения от предмета в виде стрелки АБ (см. рис. 3). Луч, исходящий из точки Б параллельно главной оси, после преломления в линзе Л пройдет через оптический центр О' глаза, который, по условию, совпадает с задним фокусом линзы, и упадет на сетчатую оболочку глаза в точке Б", которая и является действительным изображением точки В предмета.

По общему правилу точка изображения находится как точка пересечения по крайней мере двух лучей, исходящих из соответствующей точки предмета. Необходимость двух лучей обусловлена тем, что точка их пересечения определяет положение плоскости изображения. Если положение этой плоскости известно, то точка изображения может быть найдена как точка пересечения этой плоскости и хотя бы одного луча, исходящего из точки предмета, например луча, проходящего через оптический центр линзы. Подобные условия и имеют место в данном случае: для нормального глаза вследствие аккомодации плоскость изображения (независимо от расположения предмета) совпадает с центральной частью сетчатки. Поэтому точка изображения предмета может быть найдена как точка пересечения плоскости сетчатки и только одного луча, проходящего через оптический центр глаза.

В данном случае так и определена точка Б" изображения. Для полноты картины на рис. 3 изображен также ход и второго луча, который из точки Б пройдет через оптический центр линзы О и преломится в оптических средах глаза таким образом, что его пересечение с первым лучом произойдет в той же точке Б" на сетчатой оболочке.

Точку Б" глаз относит к сопряженной с ней точке Б' мнимого изображения точки Б предмета.

Таким образом, мнимое изображение предмета в окуляре может быть найдено путем геометрического построения, при этом расстояние, на котором оно получается, зависит от того, насколько близко к фокусу окуляра расположен предмет. Если предмет находится в фокусе, то лучи из окуляра выходят параллельными, а изображение уходит в бесконечность и глаз наблюдает его при покое аккомодации.

При приближении предмета к линзе угол расхождения лучей, выходящих из окуляра, увеличивается и изображение получается ближе к линзе. В этом случае оно наблюдается в условиях напряжения аккомодации глаза, в пределе на расстоянии наилучшего зрения, равном 25 см.

Увеличение, которое дает окуляр, в этих случаях почти не отличается (в этом можно убедиться путем построения хода лучей). Поэтому расстояние, на котором глаз фиксирует мнимое изображение, не имеет особого значения и определяется только удобством наблюдающего.

Окуляр образуете мнимое изображение, которое нельзя измерить непосредственно, но о величине которого можно судить по углу зрения. В связи с этим вводят понятие об угловом увеличении, которое дает оптический прибор.

Угловое увеличение Куг численно равняется отношению угла зрения предмет, когда он рассматривается с помощью оптического прибора, к углу зрения на этот же предмет при наблюдении его невооруженным глазом:

.

Угловое увеличение показывает, во сколько раз величина изображения предмета на сетчатке глаза в первом случае больше, чем во втором.

Примем, что при наблюдении невооруженным глазом предмет располагается на расстоянии наилучшего зрения s. В этом случае тангенс угла зрения определится как отношение величины предмета к расстоянию наилучшего зрения: . При наблюдении предмета вооруженным глазом: Тогда угловое увеличение окуляра (по малости углы зрения можно заменить их тангенсами)

.

 
 

Увеличение окуляра равняется отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию линзы. (Формула тем точнее, чем меньше по сравнению с s.) Окуляр может дать увеличение до 20 – 25 раз.

Переходим к микроскопу. Предмет АБ (рис. 4) помещается несколько дальше переднего главного фокуса объектива Об. При этом плоскость промежуточного изображения А'Б' находится за двойным фокусным расстоянием объектива. Окуляр Ок располагается так, чтобы эта плоскость находилась несколько ближе к линзе, чем ее передний фокус. Ход лучей через объектив строим по общим правилам. Ход лучей через окуляр и глаз строим аналогично предыдущему случаю, рассматривая изображение А'Б' как предмет, расположенный перед окуляром (см. рис. 4). Для этого лучи, образующие точку Б' промежуточного изображения, надо продолжить до пересечения с главной плоскостью окуляра в точках и . Через оптический центр О' окуляра проводятся побочные оси, параллельные этим лучам, до пересечения в точках т и n. фокальной плоскостью MN окуляра, которая в данном случае совпадает с главной плоскостью глаза. Рассматриваемые лучи должны пройти через эти точки как через фокусы для лучей соответствующего направления.

Аналогичное построение выполняется и для нахождения точек пересечения этих лучей с фокальной плоскостью глаза Фгл. На пересечении их за фокальной плоскостью и находится точка Б’’’ изображения на сетчатке. Точка Б" мнимого изображения найдется как точка пересечения продолжения отрезков т и n рассматриваемых лучей.

Угловое увеличение микроскопа Км численно равняется произведению линейного увеличения объектива Коб и углового увеличения окуляра Кок:

.

Увеличение объектива

,

где – оптическая длина тубуса (расстояние между задним главным фокусом объектива и передним главным фокусом окуляра), – фокусное расстояние объектива.

Увеличение окуляра , где – фокусное расстояние окуляра. Следовательно, увеличение микроскопа

.

т. е. увеличение микроскопа равняется отношению произведения оптической длины, тубуса на расстояние наилучшего зрения к произведению фокусных расстояний объектива и окуляра.

 

10. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МИКРОСКОПА.

 

Соответствующим подбором линз можно обеспечить весьма большое увеличение оптического микроскопа (несколько тысяч раз), однако это нецелесообразно, так как все. равно возможность различения мелких деталей предмета нарушается дифракционными явлениями. Эти явления ограничивают полезное увеличение микроскопа.

При прохождении света через мельчайшие детали предмета происходит дифракция, в результате которой изображение этих деталей может терять резкость, может иметь место нарушение геометрического подобия изображения предмету и, наконец, изображение может вообще не получиться. Поэтому, например, в оптическом микроскопе невозможно видеть фильтрующиеся вирусы, отдельные белковые молекулы и т.п.

Свойство оптической системы давать раздельное изображение двух близко расположенных светящихся (или освещенных) точек называют разрешающей способностью системы и характеризуют наименьшим возможным расстоянием между этими точками. Это расстояние называют пределом разрешения оптического прибора. Чем меньше предел разрешения, тем выше разрешающая способность оптического прибора.

Применяя это понятие к условиям микроскопирования биологических объектов, можно считать, что предел разрешения обусловливает наименьшую величину тех структурных деталей», которые могут различаться в препарате.

Теория разрешающей способности микроскопа разрабатывалась Э. Аббе, а затем Л. И. Мандельштамом и Д. С. Рождественским. Разрешающая способность микроскопа в целом определяется разрешающей способностью объектива, в который непосредственно входят лучи света, днфрагировавшие на предмете. Основным элементом, обусловливающим разрешающую способность объектива, является его апертурный угол.

Рассмотрим образование с помощью объектива изображения светящегося отверстия S достаточно малого диаметра d, на которое падает пучок параллельных монохроматических лучей (рис. 5). Проходя через отверстие, свет испытывает дифракцию. Объектив собирает дифрагировавшие лучи и в сопряженной плоскости образует изображение S' отверстия. При этом возможны два случая. Во-первых, когда апертурный угол объектива больше угла дифракции лучей или равен ему ( ), тогда все дифрагировавшие лучи принимают участие в образовании изображения (рис. 5, а); в этом случае изображение будет геометрически подобно, предмету. Во-вторых, когда апертурный угол объектива, ограничивающий конус входящих в него лучей, меньше угла дифракции лучей ( ), тогда не все исходящие из отверстия лучи принимают участие в образовании изображения (рис. 5, б); в этом случае можно ожидать, что изображение не будет полностью геометрически подобно предмету. Степень нарушения подобия будет зависеть от того, какая часть дифрагировавших лучей не попадает в объектив и не принимает участия в образовании изображения.

Угол дифракции лучей тем больше, чем больше длина волны и чем меньше диаметр d отверстия, т. е. . Тогда в предельном случае, когда , между апертурным углом , длиной волны и диаметром отверстия d можно установить аналогичное соотношение , откуда . Таким образом, диаметр d отверстия, при котором сохраняется подобие изображения предмету, может быть тем меньше, чем короче длина волны и чем больше апертурный угол объектива.

 

 

В теории Аббе в качестве микроскопируемого предмета рассматривается дифракционная решетка (рис. 6), которая освещается пучком перпендикулярно падающих на нее параллельных монохроматических, лучей. Лучи, претерпевшие дифракцию на щелях решетки Р, собираются объективом Л в его фокальной плоскости, образуя систему дифракционных максимумов (0, 1 и 1’, 2 и 2', 3 и 3’ и т. д.). За фокальной плоскостью лучи, образующие максимумы различных порядков, расходятся и, пересекаясь между собой в сопряженной плоскости, дают на экране изображение решетки. Если в его образовании принимают участие лучи от всех максимумов (рис. 6, а), то изображение будет резким и геометрически подобным предмету. Если с помощью диафрагмы Д уменьшать апертурный угол объектива (рис. 6, б), то лучи, образующие максимумы более высоких порядков, не попадут в линзу и не будут участвовать в образовании изображения. Изображение будет терять резкость и тем больше, чем меньше апертурный угол. Если апертурный угол уменьшить так, что в линзу попадут только лучи, образующие нулевой максимум (рис. 6, в), изображение решетки не получится, так как на экран будут падать лучи, не пересекающиеся между собой.

Как показал Аббе, для разрешения щелей в изображении дифракционной решетки необходимо, чтобы в образовании ее изображения участвовали лучи от максимумов нулевого и первого порядков хотя бы с одной стороны. Для этого направления лучей, образующих эти максимумы, должны быть в пределах апертурного угла объектива. Другими словами, апертурный угол объектива должен быть больше угла отклонения лучей, образующих максимум первого порядка, или в пределе равен ему: . Предел разрешения в этом случае может быть приравнен периоду решетки: . Тогда, используя формулу дифракционной решетки и подставляя в нее указанные величины, получим

,

т. е. предел разрешения численно равен отношению длины волны света к синусу апертурного угла объектива.

Если световой пучок падает на решетку под углом , равным апертурному углу , то, как показано на рис. 7, в этом случае апертурный угол может быть приравнен только половине угла дифракции, следовательно,условия разрешения улучшаются. В наших приближенных рассуждениях (см. рис. 5) это соответствует условию , т. е. при том же апертурном угле предел разрешения уменьшается в два раза. А в теории Аббе (см. рис. 7) формула принимает вид:

.

Дальнейшим усовершенствованием микроскопа явилось применение иммерсионного объектива. Так называют объектив, у которого пространство между предметом (покровным стеклом препарата) и входной линзой заполняется жидкостью с показателем преломления, близким к стеклу, например глицерином или. При иммерсионном объективе, во-первых, значительно увеличивается яркость изображения и, во-вторых, повышается разрешающая способность микроскопа.

В иммерсионном объективе, где между предметом и объективом находится среда с показателем преломления п, длина волны света, проходящего в объектив, , где – длина волны света в воздухе. Подставляя эти данные в формулу для предела разрешения, получим

,

т. е. предел разрешения иммерсионного объектива при наклонном освещении предмета численно равен отношению длины волны света к удвоенному произведению показателя преломления иммерсионной среды на синус апертурного угла объектива.

Величина для сухого или для иммерсионного объектива называется численной апертурой. Поэтому можно сказать, что предел разрешения микроскопа равняется длине волны света, при котором производится наблюдение, деленной на численную| апертуру при перпендикулярном падении света на предмет: или деленной на удвоенную численную апертуру при наклонном освещении: ; при иммерсионном объективе .

Численная апертура объектива, характеризуя предел разрешения, позволяет сравнивать между собой разрешающую способность различных микроскопов. Последняя тем выше, чем больше апертура.

Таким образом, в оптическом микроскопе разрешаются объекты (или детали их структуры) размером не менее 0,2 – 0,3 мкм. Для того чтобы эти объективы были различимы также и глазом, увеличение К микроскопа должно быть не меньше величины, определяемой соотношением пределов разрешения глаза и микроскопа :

.

Такое увеличение называют; полезным увеличением микроскопа.

 

11. ЯВЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА.

 

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и, следовательно, векторы Н лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е в направлении распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т. п., складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направление Е не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным перпендикулярным лучу направлениям. На рис. 8 показаны в некоторый момент времени сечение луча О и проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу.

Если выбрать две любые взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать векторы Е на плоскости, то в среднем эти проекции будут одинаковыми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на которой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде черточек и точек (рис. 9, а). Таким образом, прямая с черточками (рис. 9, б) или точками (рис. 9, в)обозначает луч плоскополяризовапного света.

Луч света, состоящего из естественной и поляризованной составляющих и называемого частично поляризованным, условно показан на рис. 9, г, д, причем соотношение числа черточек и точек отражает степень поляризации, т. е. долю интенсивности поляризованной составляющей относительно полной интенсивности света.

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плоскость – главною плоскость поляризатора.

При этом через поляризатор проходит поляризованный свет, интенсивность которого равна половине интенсивности падающего света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяется. .Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плосконоляризованный свет с амплитудой электрического вектора Ео падает на анализатор, то он пропустит только некоторую составляющую, равную

где – угол между главными плоскостями поляризатора Р и анализатора А. Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то получаем

,

где – интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор; – интенсивность света, вышедшего из анализатора. Уравнение выражает закон Малюса.

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора относительно луча падающего плоскополяризованного света интенсивность вышедшего света изменяется от нуля до . Если при повороте анализатора относительно падающего луча как оси вращения интенсивность прошедшего света не изменяется, то свет может быть естественным; если при этом интенсивность изменяется, то падающий свет – плоскополяризованный.

Термин «поляризация света» имеет два смысла. Во-первых, под этим понимают свойство света, характеризующееся пространственно-временной упорядоченностью ориентации электрического и магнитного векторов. Во-вторых, поляризацией света называют процесс получения поляризованного света.

 

12. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА ПРИ ДВОЙНОМ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИИ.

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого – не выполняются и луч называют необыкновенным.

Двойное лучепреломление при нормальном падении света на поверхность кристалла показано на рис. 10: обыкновенный (о) луч, как это следует из закона преломления, проходит не преломляясь, необыкновенный (е) – преломляется.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и, оба луча обыкновенный и необыкновенный – распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла (пунктир на рис. 10). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. К ним относят исландский шпат, кварц и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного – лежат в главной плоскости, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Вдоль оптических осей 00' скорость обыкновенной и необыкновенной волн одинакова и равна

,


где – показатель преломления обыкновенного луча, имеющий разное значение для различных кристаллов.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало разведены или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготовляют специальные поляризационные призмы.

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У. Николем (призма Николя, или просто николь).

Николь представляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом К (рис. 11). Для него = 1,550; это значение лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита и некоторых других кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением могут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм). Так, в пластинке турмалина толщиной около 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышедший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства (поляроиды) могут работать как поляризаторы (анализаторы).

Основным недостатком турмалина и поляроидов по сравнение с николем являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет после прохождения этих поляризационных устройств становится окрашенным, в то время как николь прозрачен в видимой части спектра.

Достоинство поляроидов – большая поверхность, что позволяет использовать широкие световые пучки.

 

13. ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПОЛЯРИМЕТРИЯ.

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор Р – анализатор А (рис. 12), которые поставлены скрещенно, т. е. их главные плоскости взаимноперпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает в соответствии с законом Малюса ( = 90°) плоскополяризованный свет.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

Используя в опыте свет различной длины волн, можно обнаружить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию), т. е. зависимость угла поворота от длины волны.

Для определенной длины волны угол поворота плоскости поляризации пропорционален расстоянию , пройденному светом в оптически активном веществе:

,

где – коэффициент пропорциональности, или постоянная вращении (вращательная способность), град/мм.

Существует две модификации кварца, каждая из которых поворачивает плоскость поляризации в определенном направлении: по часовой стрелке – правовращающий (положительный) кварц, против часовой стрелки – левовращающий (отрицательный). Постоянная вращения в обоих случаях одинакова.

Оптически активными являются также многие некристаллические тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный закон:

,

где С – —концентрация оптически активного вещества; – толщина слоя раствора; – удельное вращение, которое приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны и зависит от температуры и свойств растворителя.

Это соотношение лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворенных веществ, в частности сахара.

Этот метод (поляриметрия, или сахариметрия) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называют поляриметрами или сахариметрами.

Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (дисперсию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы – спектрополяриметры.

Поляриметрию применяют не только для определения концентрации растворов, но и как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике.

 

14. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ В

ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ.

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроскопе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляризационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Таким образом, объект освещают поляризованными лучами и рассматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будет темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изменяют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они окажут на направление плоскости колебаний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляризаторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотропия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на явлении фотоупругости которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит темной. Прикладывая нагрузку, вызывают анизотропию плексигласа, что становится заметным по характерной картине полос и пятен (рис. 13). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или уменьшении нагрузки можно делать выводы о механических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

 

15. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА. РЕФРЕКТОМЕТР.

 

При переходе световой волны из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения и длины волны (частота колебаний остается без изменения). Если лучи света при этом падают на границу раздела сред под некоторым углом , то направление их во второй среде изменяется и с перпендикуляром в точке падения составляет уже иной угол . Это явление называется преломлением, или рефракцией, света. (При перпендикулярном падении лучей на границу раздела сред изменения направления света не происходит.)

Направление преломленной волны можно установить на основании принципа Гюйгенса. Пусть АВ (рис. 14) есть фронт плоской монохроматической волны, подошедшей к границе MN двух сред в некоторый момент времени . Скорость распространения волн в первой и второй средах обозначим соответственно и , причем . Определим положение фронта волны во второй среде в момент времени , который выберем таким образом, чтобы за время фронт волны в первой среде дошел от точки В до точки С на границе сред. Искомый фронт, волны можно найти как огибающую вторичных волн, распространившихся за время из точек А и В.

Вторичная волна из точки А за время пройдет во второй среде расстояние AD . Вторичная волна из точки В в первой среде за это время пройдет расстояние ВС . Новый фронт волны будет DC. В точках А и С построим падающий и преломленный лучи и восставим перпендикуляры к поверхности раздела сред. равен углу падения , a – углу преломления . Из . Из . Разделив первое равенство на второе и сократив левую часть на АС, а правую на , получим

Отношение скорости с распространения света в вакууме к скорости распространения его в данной среде ( ) называется абсолютным показателем, преломления данной среды.

При переходе света из одной среды в другую учитывается относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой, равный отношению абсолютных показателей этих сред:

Таким образом, относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах. Отсюда следует закон преломления

,

т. е. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная показателю преломления второй среды относительно первой.

Обычно оптические свойства вещества характеризуют показателем преломления п относительно воздуха, который мало отличается от абсолютного показателя преломления. Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления (рис. 15, а),то угол преломления меньше угла падения . При увеличении угла падения до 90° (лучи 3–3') свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла , называемого предельным углом преломления. Этот угол можно определить из условия

; но , следовательно, .

Определенная часть падающего света при этом отражается от границы раздела сред, но этим мы пренебрегаем.

Если свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления (рис. 15, б), то угол преломления больше угла падения (луч 1–1’). При этом свет преломляется (переходит во вторую среду) только в пределах угла падения , которому соответствует угол преломления (луч 2–2'). Часть падающего света при этом отражается. Если свет падает под углом больше предельного, то он полностью отражается от границы сред (луч 3–3'). Это явление называется полным внутренним отражением, а угол падения предельным углом полного внутреннего отражения. Этот угол можно найти из условия

; .

Для двух данных сред предельный угол преломления равен предельному углу полного внутреннего отражения: .

Полное внутреннее отражение используется при устройстве отражательных призм, применяемых в оптических приборах для поворота на 90° лучей, образующих изображение, или для получения обратного (перевернутого) изображения. Во всех этих случаях лучи падают на соответствующую грань призмы под углом, большим предельного.

Полное внутреннее отражение используется также при устройстве гибких световодов, в которых свет, претерпевая многократное внутреннее отражение от стенок световода, может передаваться вдоль криволинейной траектории. Гибким световодом может быть, например, струя воды в воздухе. В настоящее время этот принцип используется при устройстве приборов с волоконной оптикой. В них гибкий световод состоит из пучка тонких стеклянных нитей, каждая из которых покрыта оболочкой из вещества с меньшим показателем преломления. Такой световод может переносить свет от источника или, например, изображение предмета на значительные расстояния как по прямолинейному, так и криволинейному пути.

Приборы для определения показателя преломления веществ называются рефрактометрами. В медицине рефрактометры для жидкостей применяются для определения концентрации веществ в растворе (например, содержания белка в сыворотке крови и т. п.), что основано на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

Рефрактометр РЛ-2 основан на определении предельного угла преломления света в исследуемой жидкости, который, как указано выше, имеет прямую связь с показателем преломления. Основу оптики рефрактометра РЛ-2 составляют две прямоугольные призмы (рис. 16), между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости.

Верхняя призма О – осветительная, ее гипотенузная грань АБ – матовая. Нижняя призма И – измерительная. Свет от источника зеркалом З направляется на боковую грань верхней призмы. При выходе через ее матовую грань АБ свет рассеивается. Лучи рассеянного света проходят через слой жидкости и входят в измерительную призму И по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90°. Преломляясь на грани ГД, лучи внутри призмы И проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла. На грани ДЕ эти лучи преломляются и, выходя из грани под некоторым углом , проходят в зрительную трубу. Объектив зрительной трубы Т фокусирует параллельные лучи, идущие от различных точек грани ДЕ под разными углами. Поэтому, если ось зрительной трубы установлена по направлению лучей, ограничивающих предельный угол преломления, то поле зрения в фокальной плоскости объектива разделится на светлую и темную половины.

Обратно, устанавливая трубу по границе светотени, можно по ее положению определить границу предельного угла . Обычно при градуировке прибора сразу устанавливают связь между углом наклона зрительной трубы и показателем преломления жидкости, значения которого наносятся на шкалу; деления шкалы одновременно наблюдаются в поле зрения трубы.

 

 
 

Оптическая система рефрактометра (рис. 17) содержит две вспомогательные призмы. Призма К компенсирует дисперсию белого света в призмах О и И так, что результаты измерения соответствуют желтой линии паров натрия, призма П позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно плоскости расположения призм О и И, что делает наблюдение более удобным; Об – объектив, Ок – окуляр зрительной трубы. Перед окуляром расположена пластинка с визирным штрихом и шкала Ш показателя преломления.

 





©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.