Елементи хвильової оптики
Інтерференція nсвітла
При розгляді питань, що стосуються роздільної сили nоптичних приладів, метод геометричної оптики не примінимий. Крім того, існує nшироке коло оптичних явищ, які становлять основу фізичної оптики.
Когерентними називаються хвилі однакової частоти n(монохроматичні хвилі), які при додаванні (накладанні) мають сталу (незалежну nвід часу) різницю фаз. Джерела світла, які випромінюють когерентні хвилі, nназиваються когерентними.
Інтерференція світла – накладання nв просторі когерентних електромагнітних хвиль, при якому вони nпідсилюються або послаблюються. Лише при накладанні когерентних хвиль nутворюється стійка інтерференційна картина. При цьому відбувається перезподіл nенергії хвиль в просторі. Якщо дві когерентні світлові хвилі поширюються в nречовинах з показниками заломлення n1 і n2, nто різниця оптичних довжин шляхів двох променів називається оптичною різницею nходу: , nде r1 і r2 – віддалі від когерентних nджерел до точки, в якій хвилі інтерферують.
Умовою отримання інтерференційного максимуму є nкратність оптичної різниці ходу цілому числу довжин хвиль:
n (n=0; 1; n2…). n(1)
Умовою отримання інтерференційного nмінімуму є кратність різниці ходу непарному числу довжин півхвиль:
n (n=0; 1; 2…). n(2)
Явище інтерференції дало змогу реалізувати nголографічний запис інформації та зображення тіл.
При спостереженні явища інтерференції nу монохроматичному світлі з певною довжиною хвилі, інтерференційна nкартина являє собою чергування світлих і темних ділянок. Інтерференційна nкартина у білому світлі є забарвленою, бо кожна складова nбілого світла дає посилення і послаблення в певних місцях екрана.
Для створення когерентних світлових nпучків застосовують різні штучні методи. Фізична суть всіх приладів nдля спостереження явища інтерференції світла однакова: світло від одного nджерела поширюється до екрана двома різними шляхами. Внаслідок цього nутворюється певна різниця ходу променів, і якщо вона в певних точках екрана nдорівнює або
, то на екрані спостерігатиметься nчітка інтерференційна картина.
Одним із приладів для спостереження явища nінтерференції світла є біпризма Френеля (рис. 1).
Рис. 1 Хід променів у біпризмі nФренеля.
Вона складається з двох однакових скляних nпризм з малими заломлюючими кутами і загальною основою. Внаслідок nзаломлення в біпризмі світловий промінь роздвоюється. Світло nпоширюється так, ніби в точках S¢ і S¢¢ розміщені два когерентні джерела.
Світло, що іде від джерела S, роздвоюється. nВнаслідок заломлення в двох половинах біпризми світло доходить до точок nекрана різними шляхами. В ділянці перекриття хвиль nспостерігаємо інтерференційну картину.
Оскільки положення інтерференційних смуг залежить nвід довжини хвилі, то, провівши відповідні вимірювання, nможна визначити її довжину.
Явище інтерференції можна спостерігати за допомогою nдзеркала Ллойда, яке роздвоює світловий промінь шляхом відбивання його від nдзеркала. Якщо у випадку з біпризмою Френеля обидва когерентні джерела були nуявними, то у даному випадку одне когерентне джерело уявне, а друге n– дійсне (рис.2).
Розглянемо випадок коли, на тонку прозору плівку n(пластинку) падає пучок променів (рис. 3). nВважатимемо, що показник заломлення плівки рівний n, а середовище яке оточує nплівку – одиниці. У точці С відбиті промені відповідно від передньої nі задньої стінок плівки (пластинки) мають оптичну різницю ходу n(рис. 3)
n n(3)
При відбиванні світла від оптично більш густого nсередовища фаза хвилі змінюється на , що відповідає зміні nоптичної різниці ходу на
.
Якщо різниця ходу променів рівна цілому nчислу довжин хвиль
падаючого nсвітла, то промені 1 і 2 максимально підсилюють один одного Якщо ж
рівне непарному nчислу півхвиль, то всі відбиті від її поверхні промені взаємо погасяться і nплівка буде здаватись темною.
Подібного типу інтерференційна nкартина спостерігається при відбитті світла від дзеркала, від тонких nпрозорих пластинок і плівок.
|
|
Рис. 2. Хід променів у дзеркалі Ллойда. |
Рис. 3. Хід променів у тонкій прозорій плівці. |
Кільцями Ньютона називається інтерференційна nкартина, яка утворюється на плосковипуклій лінзі, що дотикається до nплоскопаралельної пластинки. Темна пляма в місці дотику оточена світлими nі темними кільцями в монохроматичному світлі або кольоровими у білому. Із nзбільшенням товщини повітряного прошарку кольорові смуги nвужчають, а потім зовсім зникають.
За допомогою спеціальних приладів – nінтерферометрів, в основі яких лежить явище інтерференції, з великою точністю nвизначають довжини хвиль, показники заломлення речовини, якість оптичних nповерхонь.
Просвітлення оптики
Винахідником способу поліпшення якості оптичних nприладів, що отримав назву “просвітлення оптики ” був український nфізик Олександр Смакула (9.09.1900 – 17.05.1983), який народився у селі nДобриводи Збаразького району на Тернопільщині. Суть винаходу полягає у тому, що nповерхні лінз оптичних пристроїв (фотоапаратів, біноклів, далекомірів, nмікроскопів, перископів, телескопів та ін.) покривають спеціальним тонким шаром nпевного матеріалу, що значно зменшує відбивання світла від поверхні лінзи і nнабагато збільшує контрастність зображення. Гасіння відбитих від різних nповерхонь світлових променів відбувається тоді, коли амплітуди хвиль однакові, nа різниця фаз хвиль дорівнює , що відповідає їх nрізниці ходу
. Амплітуди хвиль nбудуть однаковими при виконанні рівності
, де
– показник nзаломлення прозорої металевої плівки,
– показник nзаломлення скляної поверхні. Різниця фаз хвиль дорівнюватиме
, якщо оптична товщина nплівки буде задовільняти умові:
О. Смакула є автором понад 100 наукових праць. Помер nучений у місті Обурн, штат Массачусетс, США.
Враховуючи визначні заслуги Олександра Смакули у nрозвитку науки ХХ-го століття, рішенням 30-ї сесії Генеральної nконференції ЮНЕСКО 2000 рік був оголошений роком О. Смакули.
Дифракція світла
Явище дифракції полягає у nвідхиленні світлових променів від прямолінійного поширення в nсередовищах з перешкодами (дуже вузькі отвори, краї з nперешкодами). В області геометричної тіні і поблизу неї в освітленій частині nполя зору спостерігається така ж картина, як і при інтерференції nкогерентних світлових пучків. Це дає змогу зробити висновок, що основою nявищ дифракції та інтерференції є хвильові властивості світла. Явище дифракції nсвідчить про порушення законів геометричної оптики. Воно спостерігається на nвідстанях від перешкоди, nде D – лінійні розміри отвору перешкоди, l – довжина хвилі.
Дифракцiя свiтлових хвиль не дозволяє nрозрiзняти найдрiбнiшi деталi предметiв за допомогою оптичних приладiв. nНайменша вiдстань мiж двома точками, при якiй їх зображення не зливаються, nназивається роздiльною вiдстанню оптичного приладу (d). Для nмiкроскопа роздiльна вiдстань , де u – nапертурний кут (половина кута мiж крайнiми променями, які падають nвiд точки предмета на об’єктив i попадають в око спостерiгача), n n– показник заломлення середовища.
Для пояснення поширення світла Гюйгенс сформулював nпринцип, згідно з яким кожна точка середовища, якої досягне фронт хвилі в nпевний момент часу, є джерелом вторинних хвиль. Поверхня, що огинає ці nелементарні хвилі, визначає положення фронту хвилі, що поширюється в nсередовищі в наступний момент часу. Виходячи з принципу Гюйгенса можна пояснити nхід променів при відбиванні і заломленні світла, проникнення світла в область nгеометричної тіні. Проте вказаний принцип не пояснював закономірності nрозподілу енергії вздовж хвильового фронту. Цей недолік був усунений Френелем, nякий розглядав хвилю, що проходить в довільну точку середовища, як nнаслідок інтерференції вторинних хвиль певного хвильового фронту.
За принципом Гюйгенса–Френеля, при поширенні в nпросторі обмежених фронтів світлових хвиль, світло спостерігається лише там, де nелементарні хвилі, які випромінюються всіма точками фронту хвилі, що nпоширюються, додаючись, підсилюють одна одну. Там, де елементарні хвилі nгасять одна одну, спостерігається інтерференційний мінімум.
На основі принципу Гюйгенса–Френеля можна nпояснити всі дифракційні явища, а також прямолінійне nпоширення світла. Так, всі вторинні хвилі, що випромінюються вторинними nджерелами, які знаходяться на поверхні фронту хвилі АВ (рис. 4), nгасяться в результаті інтерференції, за винятком хвиль від джерел, nрозташованих на малій ділянці сферичного сегмента ав, nперпендикулярного до SM. Світло поширюватиметься вздовж вузького конуса nз дуже малою основою, тобто практично прямолінійно.
Рис. 4. Інтерференція nвторинних хвиль.
При дифракції монохроматичного світла на вузькій nдовгій щілині ВС (рис. 5.26) утворюється смугаста дифракційна картина.
Рис. 5. Дифракція на щілині.
При цьому в центрі екрану Е буде світла смуга n(нульовий максимум), положення темних смуг визначається умовою: (n=1, 2, 3…), а nсвітлих (крім нульового максимуму) – умовою
(n=1,2,3…), де а n– ширина щілини, a – кут між нормаллю до щілини і положенням відповідного nмінімуму чи максимуму, l – довжина хвилі,– порядок nмаксимуму або мінімуму. У точці Fj на екрані nзбираються всі паралельні промені, що падають на лінзу МЛ під кутом j. Біле світло дає nзамість світлих і темних смуг райдужні (забарвлені) смуги.
Дифракційна решітка – сукупність великої кількості nвузьких щілин, розділених непрозорими проміжками.
Якщо ширина прозорих щілин – а, ширина nнепрозорих проміжків – b, то величина d=а+b називається періодом n(сталою) дифракційної решітки.
Величина d=dsinj – оптична різниця nходу між променями BM i DN, що йдуть від сусідніх щілин (рис. 6).
Рис. 6. Дифракційна решітка.
Знаючи період дифракційної решітки, її можна nвикористати для визначення довжини світлової хвилі. Вимірявши величину кута j, що визначає nвідповідне положення максимуму, знайдемо:
Головні максимуми при дифракції на решітці nспостерігаються під кутами, що задовільняють умову:
(n=0, 1, 2, 3…)
Умова дифракційних мінімумів:
(n=0, 1, 2, 3…)
Між головними дифракційними максимумами розміщені N-1 мінімуми і N-2 nслабкі вторинні максимуми, де N – число всіх щілин в решітці.
Дифракція на відбиваючій дифракційній nгратці
Майже у всіх спектральних дослідженнях nвикористовується дифракція при відбитті. Дію відбиваючої гратки можна легко nзрозуміти, розглянувши інтерференцію деяких плоских хвиль, які були відбиті на nгранях штрихів гратки.
Нехай грані штрихів гратки, складають із площиною nгратки кут , відстань між штрихами
, а ширина грані
. Коли на гратку падає світло у напрямку 1, nскладаючи з нормаллю
до площини гратки кут
, то воно відбиватиметься у напрямку 2, складаючи nіз нормаллю кут
.
Геометрична різниця ходу між променями, дифрагуючих від сусідніх штрихів, nрівна:
. Положення головних максимумів для відбиваючої гратки nзнаходиться формулою
. При нормальному падінні променів на гратку (
), умова дифракційних максимумів матиме вигляд:
.
Голографія
Явище голографії можна пояснити nвиходячи із законів інтерференції і дифракції.
Для отримання об’ємного зображення предмета nголограму ставлять в те місце, де раніше була розташована фотопластинка. При nосвітленні голограми світловим пучком того ж лазера і під тим самим nкутом, під яким було проведене експонування, відбувається дифракція nопорної хвилі на голограмі, і ми бачимо об’ємне зображення предмета.
Застосування оптичних захисних nелементів (голограм) вважається спеціалістами як ефективний і надійний захист nвід підробок. Оптичні елементи захисту розміщені на дифракційно-оптичних nструктурах, які знаходяться в шарі фольги. При відповідному рівні виготовлення nголограм підробити чи скопіювати ці елементи практично неможливо.
Для виготовлення голограми застосовують цілий ряд дуже nскладних і точних процесів, зокрема, лазерну інтерфераційну фотореєстрацію nоб’єкта, Фур’є-кодування, комп’ютерний синтез, растровий запис. На одну nголограму можна записати десятки зображень, створити тривимірні зображення зі nстереоскопічними і об’ємними ефектами, цілим рядом ефектів руху і інтенсивними nкольорами райдуги, які є складовими частинами білого кольору. В залежності від nосвітлення ми бачимо різні орнаменти, кольори і зображення. Комплексна nструктура і безмежні можливості використання голографії — утворюють nнадійний захист від підробок.
Метод отримання об’ємних зображень (голографія) був nвідкритий у 1947 Деннісом Габором. На відміну від фотознімка, який фіксує лише nінтенсивність світла і створює плоске зображення об’єкта, голографія реєструє nхвильовий фронт світлового променя і створює тривимірне зображення предмета. nЛише через 23 роки після публікації своїх перших праць Габор отримав nНобелівську премію з фізики.
Розглянемо явище голографії. Якщо направити на nпредмет пучок когерентного світла (рис. )то на фотопластинку потраплятиме при nцьому, крім розсіяного предметом світла, ще й світло, яке пройшло крізь nнапівпрозоре дзеркало. Останній пучок має назву опорного.
На рис. вказані: 1-Об’єкт; 2-Напівпрозоре nдзеркало; 3-Опорний пучок; 4-Фотопластинка; 5-Сигнальний пучок
Негатив або позитив інтерференційної картини, що nвиникає при взаємодії розсіяного предметом пучка з опорним пучком, і є nголограмою. Голограма містить у собі інформацію як про амплітудну, nтак і про фазову модуляцію розсіяної предметом хвилі.
Детальне дослідження ока може бути ускладнене через nстан пацієнта, то якщо отримати голограм ока (Рис ), то його можна досліджувати nне лише оптичними методами, але й зберігати в історії хвороби.
Рис.Принципова схема реєстрації голограми ока (А) і nвідновлення голографічного зображення (В). Справа – голограма ока кролика, на nній видно дефект рогівки. 1 – імпульсний лазер; 2 – коліматорна система; 3 – nнапівпрозорий дільник; 4 – голографічна пластинка; 5 – око; 6 – голограма; 7 – nвідновлене зображення ока; 8 вхідний об’єктив nдіагностичної системи.
Рис. Голографічне nзображення нирки
Метод голографічного зображення людських органів nможе ефективно застосовуватися у медичних закладах при вивченні анатомії, nпатологічної фізіології, внутрішнім хворобам (Рис. ).
http://www.health-ua.org/news/15409.html
Для виготовлення nголограми застосовують цілий ряд дуже складних і точних процесів, зокрема, nлазерну інтерфераційну фотореєстрацію об’єкта, Фур’є-кодування, комп’ютерний nсинтез, растровий запис. На одну голограму можна записати десятки зображень, nстворити тривимірні зображення зі стереоскопічними і об’ємними ефектами, цілим nрядом ефектів руху і інтенсивними кольорами райдуги, які є складовими частинами nбілого кольору. В залежності від освітлення ми бачимо різні орнаменти, кольори nі зображення. Комплексна структура і безмежні можливості використання nголографії — утворюють надійний захист від підробок.
Технологія виготовлення голографічних nзнаків захисту на замовлення клієнта вимагає значних затрат часу і коштів. Таке nвиробництво розраховано на великі тиражі. Спеціалістами старанно добирається nкомплекс операцій і послідовність їх виконання, особливо для захисту. Можна nзастосовувати на вибір фольгу для гарячого тиснення і наклейки з безкінечними nабо окремими зображеннями. Зображення стандартної програми спеціально nпідбирають для тих галузей, в яких спостерігається завдяки своєму вигляду вони nперетворюють ознаки захисту в товарний знак і стають невід’ємною складовою nчастиною інформації про продукт.
Голографічна фольга для гарячого nтиснення складається з поліестерової основи, на яку нанесені різні шари лаку, а nтакож клейового грунту. В процесі гарячого тиснення шар, який відділяється, nактивізується внаслідок нагріву і тиску. При цьому проходить міцне з’єднання nлакового пакету з основою з полімерних матеріалів, паперу або термопаперу.
Голографічна етикетка являє собою nсамоклейку, штамповану етикетку з голографічною структурою, яка при спробі її nзмістити або зняти, руйнується. Носієм служить силіконовий папір. Голографічні nетикетки можна наносити вручну або з використанням машини. Підбір конкретної nтехнології переносу залежить від обладнання і основи, яка використовується. nПоліестрова основа знімається пристроєм змотування плівки.
Метод отримання об’ємних зображень n(голографія) був відкритий у 1947 Деннісом Габором. На відміну від фотознімка, nякий фіксує лише інтенсивність світла і створює плоске зображення об’єкта, nголографія реєструє хвильовий фронт світлового променя і створює тривимірне nзображення предмета. Лише через 23 роки після публікації своїх перших праць nГабор отримав Нобелівську премію з фізики.
Поставимо експеримент відповідно nдо схеми, зображеної на рисунку 7.
Рис. n7. nСхема голографії.
Біля предмета К розмістимо nдзеркало М і одночасно освітимо дзеркало і предмет паралельним пучком когерентного nсвітла. На фотографічну пластинку Р потраплятиме при цьому, крім розсіяного nпредметом світла, ще й світло, відбите від дзеркала. Останній пучок має назву nопорного. Негатив або позитив інтерференційної картини, що виникає при nвзаємодії розсіяного предметом пучка з опорним пучком, і є голограмою. nГолограма містить у собі інформацію як про амплітудну, так і про nфазову модуляцію розсіяної предметом хвилі.
Поляризація світла
Видиме світло – це поперечні електромагнітні хвилі з nдовжиною від 400 до 700 нм, оскільки напрям коливання векторів напруженості nелектричного і магнітного
полів перпендикулярні nдо швидкості поширення світла і один до одного.
Розрізняють світло природне і поляризоване.
Світло, у якого вектор напруженості електричного nполя змінює свою nорієнтацію у просторі, називається природним. Це зумовлено тим, що ми одночасно nспостерігаємо випромінювання величезної кількості атомів. Джерелами світла є nСонце, лампи розжарення, випромінювання нагрітих тіл тощо. Світло, у якого nвектор напруженості електричного поля
не змінює своєї nорієнтації у не оптично-активному середовищі, називається поляризованим.
Площину, що проходить через вектор напруженості nелектричного поля і вектор nшвидкості світла, називають площиною поляризації. Світло може поляризуватися nпри відбиванні, заломленні і розсіюванні. Око людини не відрізняє nполяризованого світла від природного, тому для дослідження поляризації світла nвикористовують поляризаційні прилади – поляриметри.
До природних кристалів, які поляризують світло, nналежить турмалін. Природний промінь, проходячи через пластинку турмаліну (рис. n8) вирізану паралельно оптичній осі кристала, що nявляє собою напрямок відносно якого атоми (чи іони) кристалічної решітки nрозташовані симетрично (в деяких кристалах таких напрямків може бути два), nповністю поляризується. Якщо за пластинкою 1 розташована інша nпластинка турмаліну 2, яка орієнтована так, що її оптична вісь nперпендикулярна оптичній осі пластинки 1, то через другу nпластинку промінь не пройде, оскільки коливання вектора напруженості nелектричного поля
будуть nперпендикулярні до головної площини пластинки 2, тобто площини, nщо містить оптичну вісь і промінь.
Якщо ж оптичні осі пластинок 1 і 2 nскладуть кут , відмінний від 900, nто світло (промінь) проходитиме через пластину 2. Проте, як nвидно з рис. 6.3, амплітуда світлових коливань, що пройшли через пластину 2, nбуде меншою від амплітуди світлових коливань, падаючих на пластинку:
|
(4) |
Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату nамплітуди світлових коливань, то
|
(5) |
де – інтенсивність nсвітла, що падає на пластинку 2,
– інтенсивність nсвітла, що проходить через пластинку.
Співвідношення (5) називається законом Малюса.
Пластинка 1, що поляризує природне світло, називається поляризатором, а пластинка 2, nза допомогою якої змінюється інтенсивність поляризованого світла – аналізатором n(Рис.5.31). Прилад, що складається з поляризатора і аналізатора, що дозволяє знайти кут nповороту площини поляризації світла називається поляриметром.
Найчастіше для отримання поляризованого світла nвикористовують явище подвійного променезаломлення. При цьому явищі відбувається nроздвоєння світла на два промені (звичайний і незвичайний), що йдуть у різних nнапрямках. Промені внаслідок анізотропії кристалів поширюються з різними nшвидкостями.
Рис. 10. Хід променів у призмі Ніколя.
Для отримання поляризованого світла необхідно nрозвести звичайний і незвичайний промені на певний кут. Це досягається в призмі nНіколя, що являє собою 4-гранну призму, яка складається із двох 3-гранних nпризм, виготовлених з монокристалів ісландського шпату і склеєних канадським nбальзамом (рис. 10).
Природне світло, падаючи на грань АВ призми із nісландського шпату, зазнає подвійного променезаломлення, утворюються звичайний nі незвичайний промені, які падають на грань АС – межу двох середовищ: nісландського шпату і канадського бальзаму, речовини з меншим показником nзаломлення ніж у ісландського шпату; крім того, кут падіння звичайного променя nбільший, ніж у незвичайного і більший від граничного кута повного внутрішнього nвідбивання для ісландського шпату. Оскільки кут падіння незвичайного променя на nгрань АС менший від граничного кута повного внутрішнього відбивання, nпромінь проходить шар канадського бальзаму і, заломлюючись у призмі АСD, nвиходить повністю поляризованим. Звичайний промінь зазнає повного внутрішнього nвідбивання, попадає на грань ВС і там поглинається чорною фарбою, що її nпокриває.
При проходженні поляризованого світла через певні nсередовища площина коливань вектора повертається на nдеякий кут
. Це явище називається nявищем повороту площини поляризації і обумовлене структурою nречовини, будовою молекул. Речовини, які здатні повертати площину поляризації, nназиваються оптично-активними речовинами. Розрізняють “праве” і n“ліве” обертання площини поляризації. Напрям обертання визначають по відношенню nдо спостерігача, який дивиться назустріч променю. Якщо обертання площини nполяризації відбувається по напрямку (проти) годинникової стрілки, то обертання nназивається правим (лівим), а сама речовина правообертаючою (лівообертаючою).
Величина кута повороту площини поляризації nпропорційна довжині ходу променя у речовині, а для розчину – ще й від nконцентрації оптично-активної речовини у розчині, а також залежить від роду nречовини і довжини хвилі світла. Ця залежність виражається формулою:
|
(6) |
|
|
Рис. 11. Схема nнайпростішого поляриметра.
де – кут повороту площини nполяризації,
– довжина ходу променя nу розчині,
– концентрація nречовини у розчині,
– питоме nобертання, що характеризує кут повороту площини поляризації світла певної nдовжини хвилі на одиницю відстані, пройденої світлом у даному розчині. Питоме nобертання чисельно рівне куту повороту площини поляризації шаром розчину nодиничної товщини, що містить 1 г речовини на 100 см3 розчину.
Величина залежить від nроду розчиненої речовини, від вибору розчинника і обернено пропорційна квадрату nдовжини хвилі (закон Біо):
|
(7) |
Цю залежність використовують для дослідження nструктури білків та нуклеїнових кислот, оскільки значна кількість біомолекул nмістить оптично активні центри. Прилади для дослідження вказаної залежності nназиваються спектрополяриметрами. Для визначення кута nповороту площини поляризації використовують поляриметри. Конструкція nнайпростішого поляриметра зображена на рисунку 11.
Він складається з двох призм Ніколя. nЧерез одну з них (поляризатор) пропускають монохроматичне світло і nспостерігають його через другу призму Ніколя (аналізатор). При обертанні nаналізатора навколо променя, як осі, яскравість світла буде змінюватися: буде nнайбільшою, якщо головні площини призм Ніколя паралельні, і найменшою (поле nзору темне), якщо вони будуть перпендикулярні.
Якщо при цьому між призмами Ніколя розмістити nоптично активний розчин, то яскравість поля зменшиться, оскільки площина поляризації nпроменя повернеться на певний кут. ІЦоб отримати поле зору такої ж яскравості, nаналізатор необхідно повернути у протилежному напрямку на той самий кут.
Випромынювання nкванта світла відбувається в результаті переходу nелектрона зі збудженого стану в основний. Електромагнітна хвиля, що nвипускається в результаті цього переходу є поперечною, тобто векториа і
взаємно nперпендикулярні й перпендикулярні до напрямку поширення електромагнітноъ хвилі. Коливання nвектора
відбувається в одній площині. Світло, у nякому вектор
коливається nтільки в одному напрямку називається пласко поляризованим світлом n(електромагнітною хвилею). Поляризованим називається світло, у якому напрямку коливання вектора
nвпорядковані певним чином.
Світло – це сумарне електромагнітне випромінювання nбагатьох атомів. Атоми випромінюють світлові хвиля незалежно один віжодного, nтому світлова хвиля, випромінювана тілом уцілому, характеризується рівно nімовірним коливаннями вектора . Світло із рівно імовірними орієнтаціями вектора nназивається природнім. Світло, у якому є переважний напрямок nколивань вектора
й незначна амплітуда коливань вектора
в інших напрямках називається частково nполяризованим. У плоско поляризованому світлі площина, у якій nколивається вектор
,називається площиною поляризації, а площина, у якій nколивається вектор
,називається площиною коливань.
Вектор називають світловим вектором тому, що при дії nсвітла на речовину основне значення має електрична складова поля хвилі, що діє nна електрони в атомах речовини.
Розрізняють також еліптично поляризоване nсвітло: при поширенні еліптично поляризованого світла вектор описує еліпс, і циркулярно поляризований світло.
Ступенем поляризації називається величина
де Imax і Imin – максимальна й мінімальна компоненти інтенсивності nсвітла, що відповідають двом взаємно перпендикулярним компонентам вектора (тобто Ех і Еу – складові). Для плоско поляризованого світла Еу n= Е, Ех = 0, отже, Р = 1. Для природнього nсвітла Еу = Ех n= Е и Р = 0. Для частково поляризованого світла nЕу = Е, Ех = (0…1)Еу, nотже, 0 < Р < 1.
Якщо вектор в nеліптично поляризованому світлі обертається при nпоширення світла за годинниковою стрілкою, то поляризація називається правою, проти – лівою. В еліптично nполяризованому світлі коливання повністю впорядковані. nДо еліптично поляризованого світла поняття ступеня nполяризації не застосовний, оскільки Р = 1 завжди.
Аналіз nполяризованого світла при відбитті й переломленні.
Поляризоване світло можна одержати nіз природнього світла при відбитті світлової хвилі від границі розділу двох діелектриків.
Якщо природнє світло падає на границю розділу двох діелектриків (наприклад, повітря-скло), то частина його nвідбивається, а частина заломлюється й nпоширюється в другому середовищі.
Закон Брюстера:
При куті nпадіння, рівному куті Брюстера іБр n: 1. відбитий від границі поділу двох діелектриків промінь буде повністю поляризований у nплощині, перпендикулярній площині падіння; 2. ступінь поляризації заломлюючого променя nдосягає максимального значення меншого одиниці; 3. заломлюючий промінь буде поляризований nчастково в площині падіння; 4. кут між відбитим і заломленим променями буде дорівнювати 90°; 4. тангенс кута Брюстера nдорівнює відносному показнику заломлення
– закон Брюстера.
n12 n–
показник заломлення другого середовища відносно першого. Кут nпадіння (відбивання) – кут між падаючим (відбитим) променем і нормаллю nдо поверхні. Площина падіння – nплощина, що проходить через падаючий промінь і нормаль до поверхні.
Ступінь nполяризації заломленого світла може бути значно підвищена багаторазовим заломленням за умови падіння світла на границю позділу під кутом nБрюстера. Якщо для скла (n = 1,53) ступінь поляризації заломленого променя становить ≈15 %, то після заломлення на 8-10 nнакладених один на одного скляних пластинках, вихідне світло буде практично повністю nполяризоване – стопа Столетова.
Поляризоване світло можна одержати із природнього за допомогою поляризаторів n- анізотропних кристалів, що пропускають світло тільки в одному напрямку n(ісландський шпат, кварц, турмалін).
Поляризатор, що nаналізує в якій площині поляризоване світло, nназивається аналізатором.
Якщо на аналізатор падає пласко поляризований світло амплітудою Е0 і інтенсивності I0 n(
), площина nполяризації якого становить кут φ із площиною аналізатора, то падаюче nелектромагнітне коливання можна розкласти на два коливання; з амплітудами
і
,паралельне й nперпендикулярне площини аналізатора.
Крізь аналізатор пройде складова паралельна площини nаналізатора, тобто складова , а nперпендикулярна, що становила буде затримана аналізатором. Тоді інтенсивність світла, що пройшло через nаналізатор буде дорівнювати (
):
– закон nМалюса
Закон Малюса: Інтенсивність світла, що пройшло через поляризатор, прямо nпропорційна добутку інтенсивності падаючого плоско nполяризованого світла I0 і квадрату косинуса кута між nплощиною падаючого світла й площиною поляризатора.
Якщо на nполяризатор падає природнє світло, то інтенсивність nсвітла, що вийшло з поляризатора I0 nдорівнює половині Iприр, і тоді з аналізатора вийде
Подвійне променезаломлення
Усі кристали, крім кристалів кубічної система— ізотропних кристалів, є nанізотропними, тобто властивості кристалів залежать від напрямку. Явище nподвійного променезаломлення вперше було виявлено Барталином в 1667 р. nна кристалі ісландського шпату (різновид СаСО3). nЯвище подвійного променезаломлення полягає в наступному: промінь світла, що падає nна анізотропний кристал, розділяється в ньому на два промені: звичайний і nнезвичайний, що поширюються з різними швидкостями в різних nнапрямках.
Анізотропні кристали поділяють на одноосьові й двоосбові.
В одноосьових nкристалів є один напрямок, який називають оптичною віссю, при поширенні уздовж якого не nвідбувається поділу на звичайний і незвичайний промені. Будь-яка пряма паралельна напрямку оптичної осі буде також оптичною nвіссю. Будь-яка площина, що проходить через оптичну nвісь і падаючий промінь, називається головним перетином або головною площиною nкристала.
Відмінності між звичайними й незвичайними променями:
звичайний промінь nпідкоряється законам заломлення
1. незвичайний – немає;
2. звичайний промінь поляризований nперпендикулярно головної площини, площина поляризації незвичайного променя nперпендикулярна площини поляризованого звичайного променя;
3. крім nоптичної осі звичайні й незвичайні промені поширюються в різних напрямках. nПоказник переломлення n0 звичайного променя постійний у nвсіх напрямках, отже, фазова швидкість звичайного променя постійна у всіх nнапрямках. Показник переломлення nе nнезвичайного променя (Uф.е.) залежить від напрямку.
Відмінність nшвидкостей Uо й Uе для всіх напрямків, крім напрямку оптичної осі, обумовлює явище подвійного променезаломлення в одноосьових nкристалах. У двоосьових кристалах є два напрямки, уздовж яких не nвідбувається подвійного променезаломлення.
Поняття nзвичайного й незвичайного променів має місце поки ці промені поширюються в nкристалі, при виході із кристала ці поняття втрачають зміст, nтобто промені відрізняються тільки площинами поляризацій.
Природа подвійного променезаломлення пов’язана з тим, що звичайні й nнезвичайні промені мають різні швидкості, а тому ,то для звичайного й незвичайного променів будуть різні nпоказники заломлення n0 і nе, а тому що
то можна сказати, що першопричиною подвійного nпроменезаломлення є анізотропія діелектричної проникності кристала. Кристали, у яких Vе n < V0 ( nе n> n0) називаються позитивними, а в яких Vе n > V0 ( nе < n0) nназиваються негативним.
Для визначення кута повороту площини поляризації використовують поляриметри n(рис.11 )
Рис.11. nПоляриметр Су-4
На рис n зображено: 1 – окуляр відраховую чого пристрою; 2 – вимірювальна головка; n3 – кювет не відділення; 4 – поворотна обойма; 5 – освітлювальний вузол; 6 – nкнопка вимикача; 7 – ручка резистора; 8 – ручка клинового компенсатора; 9 – nзорова труба; 10 – кювета з розчином.
Загальна nконструкція поляриметра зображена на рисунку 11.
Рис. 12. Вимірювання оптичної nактивності за допомогою поляриметра: 1 – джерело світла, 2 – неполяризоване nсвітло, 3 – nполяризатор, 4 – nполяризоване світло, 5 – кювета з розчином nречовини, 6 – nоптичне обертання 30 °, 7 – аналізатор, n8 – спостерігач.
Поляриметр містить дві nпризми Ніколя. Через одну із них (поляризатор) пропускають монохроматичне nсвітло і спостерігають його через другу призму Ніколя (аналізатор). При nобертанні аналізатора навколо променя, як осі, яскравість світла буде nзмінюватися: буде найбільшою, якщо головні площини призм Ніколя паралельні, і nнайменшою (поле зору темне), якщо вони будуть перпендикулярні.
Якщо ж при цьому між призмами Ніколя розмістити nоптично активний розчин, то яскравість поля зменшиться, оскільки площина nполяризації променя повернеться на певний кут. ІЦоб отримати поле зору такої ж nяскравості, аналізатор необхідно повернути у протилежному напрямку на той самий nкут.
На рис. показана оптична структура поляриметра.
Рисунок 14 – Оптична схема поляриметра
Від nджерела 1 світло проходить через світлофільтр 2, nсистему лінз 3, після якої перетворюється в паралельний пучок. Потім проходить nчерез поляризатор 4, бікварц Солейля 5, трубку 6 з досліджуваною nоптично активною речовиною, клиноподібний компенсатор 7, аналізатор 8 і попадає nу поле зору окуляра 9. За поляризатор та аналізатор у nполяриметрі використовуються призми Ніколя. Ручка 10 регулює кут повороту nплощини коливань світла компенсатором, 11 – відлікова nлупа шкали компенсатора.
Поглинання світла
Світлова хвиля, проходячи через речовину, поступово nзатухає. Цей процес супроводжується поглинанням, відбиванням і розсіюванням nенергії. Чим більше атомів і молекул зустрінеться на шляху світлового потоку, nтим більше світло буде поглинатися. Певна частина енергії хвилі переходить в nінші види енергії. Відбуваються підвищення інтенсивності теплового руху атомів nі молекул (тепловий ефект), а також процеси іонізації і збудження атомів, nфотохімічні реакції тощо.
Перехід енергії світлової хвилі у різні види nвнутрішньої енергії речовини називають поглинанням світла.
Розглянемо однорідну речовину у вигляді nпаралелепіпеда товщиною , (рис. 12) на який nпадає монохроматичне світло з довжиною хвилі
.
Нехай – інтенсивність nпадаючого світла.
На відстані від поверхні nумовно виділимо нескінченно тонкий шар речовини
.
Інтенсивність світла , поглинутого цим nшаром, пропорційна інтенсивності падаючого на нього світла і кількості атомів n(молекул), що знаходяться в цьому шарі, яка пропорційна товщині шару
:
|
(8) |
де – монохроматичний nпоказник поглинання, який залежить від роду речовини. Знак мінус означає, що nінтенсивність світла в напрямку ох зменшується.
Проінтегруємо (8), попередньо розділивши змінні:
|
(8) |
В результаті одержимо:
.
Звідси:
|
(9) |
Рівняння (9) називають законом Бугера, який показує, nщо інтенсивність світла при проходженні через речовину зменшується за nекспоненціальним законом. Виходячи із формули (7) можна дати інше формулювання nзакону Бугера: в шарах однорідного середовища однакової товщини поглинається nодна і та ж частина енергії.
Фізичний зміст монохроматичного показника поглинання nтакий: він чисельно дорівнює оберненій товщині шару , проходячи через який nінтенсивність енергії зменшується в
разів.
Бер встановив, що для забарвлених прозорих розчинів nмонохроматичний показник поглинання пропорційний концентрації речовини, тобто:
|
(10) |
де – показник nпоглинання світла;
– концентрація.
Підставивши (10) у (11) отримаємо закон Бугера–Бера
|
(11) |
Відношення називають nкоефіцієнтом пропускання чи прозорістю розчину, а величину
– оптичною nгустиною. Оптична густина, рівна 1, відповідає пропусканню 0, 1 чи 10 %. nОптичній густині
відповідає 1 % nпропускання.
Враховуючи, що , з (11) отримуємо :
|
(12) |
де – стала для nданого розчину величина, що називається молекулярною оптичною густиною.
Оптична густина розчину пропорційна концентрації nречовини і товщині шару, в якому відбувається поглинання.
На законі Бугера–Бера ґрунтується один з методів nвизначення концентрації речовини в забарвлених розчинах.
Якщо два розчини однієї речовини з концентраціями і
і товщинами nшарів відповідно
і
поглинають nсвітло однаково, то їхні оптичні густини рівні (
).
З формули (12) випливає, що
|
(13) |
Це співвідношення лежить в основі концентраційної nколориметрії.
Для визначення концентрації розчину використовують nфотоелектроколориметр, у якому один фотоелемент освітлюють променями, що nпройшли через розчин, а інший – променями, які пройшли через розчинник, і за nрізницею двох фотострумів визначають концентрацію розчину.
Залежність оптичної густини від довжини хвилі nназивають спектром поглинання. Графік цієї залежності являє собою криву з nмаксимумами в певних інтервалах довжин хвиль, у яких відбувається сильне nпоглинання. У білків максимум поглинання припадає на довжину хвилі 280 нм, у nнуклеїнових кислот – 260 нм, хлорофіл має два максимуми поглинання в інтервалах n400–440 нм і 600–630 нм (Рис….), тобто майже у всьому діапазоні видимого nсвітла, крім зеленого. Тому листя рослин має зелене забарвлення.
Рис. 13. Спектри поглинання хлорофілів nα (зелений) і b (червоний)
Пристрій, що призначений для реєстрації спектрів nпоглинання, називається спектрофотометром.
Фізичні явища, що супроводжуються поглинанням nсвітла:
безвипромінювальний перехід.
фотохімічна реакція, обумовлена збудженням молекули nфотонами.
люмінесценція – перехід електронів в основний стан в nмолекулі з випромінюванням фотона (фотонів).
Фотометр фотоелектричний КФК 3-01 призначений для nвимірювання коефіцієнтів пропускання та оптичної густини середовища, для nвизначення вмісту в крові і сечі: цукру, білірубіну, глюкози, холестерину, nкреатиніну тощо.
Рис. 14. Фотометр КФК З-01
Широкий розвиток фотометричного аналізу зумовлений nпростотою, швидкістю та надійністю цього методу, практично необмеженими nможливостями застосування в контролі хімічних виробництв, при геохімічних, nбіохімічних та інших дослідженнях.
Нефелометрія і турбідиметрія
Нефелометричні і турбідиметричні методи використовують для аналізу nсуспензій, емульсій та інших дисперсних систем. Визначуваний компонент nпереводять у малорозчинну сполуку, яка утворює завис. Інтенсивність світла, яке nпроходить через таке середовище, зменшується внаслідок розсіювання, поглинання nта інших процесів взаємодії світла з дисперсними системами.
Нефелометричний метод визначення nконцентрацій ґрунтується на вимірюванні інтенсивності світла, розсіяного nдисперсними частинками, а турбідиметричний – на вимірюванні nпослаблення світла, яке пройшло через дисперсну систему, внаслідок поглинання.
Нефелометрія |
Турбідиметрія |
Рис. Схема ходу променів через каламутну рідину
Інтенсивність розсіяного світла залежить від nбагатьох параметрів і описується рівнянням Релея:
= IоkС nабо Ір/Іо = kС,
де Іо і Ір – інтенсивність nпадаючого і розсіяного світла відповідно;
N – кількість часточок у даному об’ємі; С – концентрація nречовини;
V – об’єм кулеподібної часточки, яка розсіює світло;
k – константа, яка враховує об’єм частинок диспергованої nфази, їхній коефіцієнт заломлення світла, довжину хвилі, кут між падаючим і nрозсіяним світлом, віддаль від кювети до місця виміру.
З рівняння випливає, що інтенсивність nрозсіяного світла тим більша, чим менша довжина хвилі випромінювання.
У турбідиметрії при достатньому nрозведенні розчину інтенсивність світла Іt, яке пройшло через nсуспензію, підпоряд-ковується рівнянню, подібному до рівняння nБугера-Ламберта-Бера:
,
де Іt – інтенсивність світла, яке пройшло через суспензію; nІо – інтенсивність падаючого світла;
l – товщина шару;
k – молярний коефіцієнт nпомутніння розчину.
Рівняння справедливе у випадку постійних умов одержання nсуспензії. На розміри частинок та оптичні властивості суспензії впливають nконцентрація іонів, послідовність та швидкість змішування компонентів, nстабільна температура. Оскільки всіх цих умов дотриматися важко, то точність nвизначення цими методами менша, ніж у фотометрії. Методи нефелометрії та nтурбідиметрії застосовують тоді, коли визначувані іони не дають кольорової nреакції, наприклад визначення сульфатів, хлоридів (суспензія BaSO4, nAgCl), каламутності води (порівнюючи з каламуттю H2SiO3). nУ практиці часто використовують нефелометричне визначення хлориду і сульфату в nприродних водах.
Інтенсивність розсіяного світла і світла, яке nпройшло через аналізовану суміш, може бути виміряна за допомогою фотоелемента nу нефелометрі. У турбідиметрії для вимірювання інтенсивності світла, яке nпройшло через суспензію, використовують фотоелектрон-колориметри.
Нефелометри
Нефелометр TurbiDirect Tintometer GmbH,
Високоточний nінструмент для лабораторного і мобільного використовування. Каламутність nвимірюється відповідно до ISO 7027 в нефелометричних одиницях (розсіяне світло під прямим кутом). Інфрачервоне джерело світла nдопускає вимірювання для забарвлених і незабарвлених зразків. Автоматичний nдіапазон визначення дозволяє пряме вимірювання від 0,01 до 1100 нефелометричних nодиниць, з точністю ±2% до 500 і ±3% для великих значень. Великий графічний nдисплей, вдалий дизайн роблять цей прилад дуже легким у використовуванні.
Принцип nдії спектральних приладів
Класифікація nспектральних приладів. Основними компонентами спектрального nприладу є: джерело оптичного випромінювання; кювета зі зразком, що досліджується; дисперсійний елемент (призма або дифракційна nрешітка); фотоприймач; система реєстрації.
Залежно від призначення, спектральні nприлади поділяють на такі типи:
1. Спектрометр — nприлад для вимірювання розподілу енергії світлових nпотоків за довжинами хвиль випромінювання.
2. Спектрофотометр n— прилад для nпорівняння потоку випромінювання, що вимірюється, з еталонним для безперервного nчи дискретного ряду довжин хвиль випромінювання. Він використовується для визначення концентрації елементів і речовин у nзразку шляхом порівняння інтенсивностей спектральних ліній або смуг поглинання nчи випромінювання.
3. Спектрограф — nприлад, в якому приймач реєструє випромінювання практично усього оптичного nспектра.
4. Монохроматор – nприлад для виділення вузьких nділянок спектра оптичного випромінювання.
5. Флуориметр – nприлад для вимірювання інтенсивності флуоресценції.
6. Спектрофлуориметр – nприлад для вимірювання спектрів збудження та випромінювання флуоресценції nречовини.
Принцип дії nспектральних приладів. Залежно від дисперсійного елемента розрізняють nспектральні прилади з призмою або дифракційною решіткою. Схему приладу першого nтипу зображено на рис. 20.26, а. Оптичне випромінювання джерела проходить через nвхідну щілину приладу, де формується зображення джерела. Світло, nяке виходить із щілини, проходить через коліматорну лінзу; заломлені призмою промені світла збираються лінзою на площині nспостереження. У приладах другого типу як диспергуючий nелемент застосовують дифракційну решітку. Схему приладу наведено на рис. 9, б. За аналогічних розмірів nдиспергуючого елемента спектральне розділення дифракційної решітки вище, ніж у nпризми.
Рис. 15. Типи спектральних приладів: а – із призмою; б – з дифракційною граткою. Тут: 1 – вхідна щілина, 2, 4 – лінзи (дзеркала), 3 – призма (дифракційна гратка). гратка); 5 – вихідна щілина
щілина, 2, 4 – конфокальні дзеркала; 3 – дифракційна решітка; 5 – вихідна щілина |
n
Спектрофотометричний метод – один з nнайбільш поширених методів дослідження в біології. У біологічних дослідженнях nнайчастіше використовуються спектрофотометри (СФ) і фотоелектроколориметри n(ФЕК). Для виділення ділянки спектра або окремих довжин хвиль в nспектро-фотометрах використовують, як правило, призми або дифракційні гратки.
Принципова схема сучасних nспектрофотометрів включає в себе кілька блоків (рис. 24):
Рис. 24. Схема будови спектрофотометра: джерело світла (Л); nмонохроматор (М); кювета із зразком (К); фотоелемент – найчастіше використовується nфотоелектронний помножувач (ФЕП); блок підсилювача фотоструму (П); реєструючий nпристрій (РП, С )
Світловий пучок від джерела світла nпотрапляє в монохроматор через вхідну щілину і розкладається дифракційною nграткою або призмою в спектр. Монохроматор – це оптична система, яка виділяє з nусього спектра джерела світла випромінювання певної довжини хвилі. У nвидимій області використовуються звичайні скляні призми, але в ультрафіолетовій nобласті вони не придатні, оскільки скло починає поглинати при λ <400 nнм, тому призми виготовляють із кварцу. Монохроматичний пучок світла проходить nчерез кювету і його інтенсивність вимірює приймач світла ФЕП.
Фотоелектронний помножувач (ФЕП), nелектровакуумний прилад, в якому потік електронів, що емітується nфотокатодом під дією оптичного випромінювання (фотострум), посилюється в nрезультаті вторинної електронної емісії; струм в ланцюзі анода (колектора nвторинних електронів) значно перевищує первинний фотострум. Пристрій використовується для nвиявлення дуже слабких сигналів.
Принцип дії цих детекторів полягає в множенні електронів, nвипущених фотокатодом під дією потоку фотонів.
Рис. 25. Фотоелектронний nпомножувач
ФЕП отримує світло nчерез скляне або кварцове вікно, покрите фоточутливою поверхнею – nфотокатодом, який випускає електрони, а вони в свою чергу множаться в nспеціальних електродах (відомих як діоди). Наприкінці дінодной ланцюжка nзнаходиться анод або збірний електрод. Як правило, струм, що йде через анод nпропорційний фотоструму фотокатода. Фотострум подається на вхід підсилювача, nпотім сигнал перетворюється в спеціальному електронному блоці (РП) і подається nна реєструючий пристрій.
У монохроматичний потік nвипромінювання, що надходить з вихідної щілини у кювету; туди, по черзі, вводяться nконтрольний і досліджуючий зразки. Випромінювання, що пройшло через кювету, nпотрапляє на фотоелемент, який перетворює світлову енергію в електричну. nЕлектричний сигнал підсилюється і реєструється.
Невідома концентрація речовини nможе бути визначена таким чином. Спочатку визначають оптичну густину речовини , для стандартного зразка з відомою концентрацією
. Далі знаходять оптичну густину
, для зразка з невідомою концентрацією досліджуючої nречовини за формулою:
Рис . 25 . Зовнішній nвигляд спектрофотометра СФ- 46
Спектрофотометр складається з монохроматора 1, МПС n2, кюветного відділення 3, камери 4 з фотоприймачами і підсилювачем і nосвітлювача 5 з джерелами випромінювання і стабілізатором.
Оптичні й механічні деталі, що входять до nмонохроматор і закриті захисним кожухом, блок живлення МПС, а також відліковий nпристрій 6 установки довжин хвиль і перемикач 7 щілини розташовані на підставці n8. До підставки жорстко кріпиться додаткова підставка 9, що несе на собі знімні nчастини спектрофотометра – кюветне відділення і камеру з фотоприймачами і nпідсилювачем.
Дифракційна решітка встановлена на столику, який nможе повертатися навколо вертикальної осі при обертанні рукоятки 10 ( рис. 25). nРух від рукоятки передається шківу , що розміщений на одній осі з відліковим nпристроєм 6 установки довжин хвиль. На тій же осі знаходиться циліндрична nшестерня, яка передає рух відлікового пристрою установки довжин хвиль гвинту з nгайкою, в площину гайки впирається регулювальний гвинт важеля, жорстко nз’єднаного зі столиком гратки; рух гайки передається важелю, який повертає nстолик із гратками, здійснюючи, таким чином, сканування спектру.
Рис . 26. Структурна схема спектрофотометра СФ-46
Рис . 27. Оптична схема спектрофотометра СФ-46
Випромінювання від джерела 1 або 1 ‘ падає на nдзеркальний конденсор 2 , який направляє його на плоске поворотне дзеркало 3 і nдає зображення джерела випромінювання в площині лінзи 4 , розташованої поблизу nвхідної щілини 5 монохроматора .
Випромінювання, яке пройшло через вхідну щілину nпадає на увігнуту дифракційну гратку 6, яка здатна фокусувати спектр.
У спектрофотометрі використовують два світлофільтри nдля роботи в області спектра 230 – 450 нм і 600 – 1100 нм.
Дифракційний пучок фокусується у площині вихідної nщілини 7 монохроматора, розташованої над вхідною щілиною 5. Сканування nздійснюється поворотом дифракційної гратки, при цьому монохроматичне nвипромінювання різних довжин хвиль проходить через вихідну щілину 7, лінзу 8, nконтрольний або вимірюваний зразок, лінзу 9 і за допомогою поворотного дзеркала n10 потрапляє на світлочутливий шар одного з фотоелементів 11 або 12 .
На рисунку 29 представлений опис спектрофометра nмодель 101.
Рис.29. Опис зовнішнього вигляду спектрофометра
1. Кришка nкюветного відділення.
2. Кюветне nвідділення с кювето-тримачем.
3. Ручка nпереключення кювето-тримача.
4. Панель nуправління.
5. Ручка nрегулювання довжини хвилі.
6. USB nпорт.
7. nПаралельний порт.
8. nКришка вентилятора.
9. nРозьєм для кабеля електроживлення.
10. Виключатель nелектроживлення.
Спектрофотометр СФ-103 – однопроменевий скануючий спектрофотометр із розширеним nспектральним діапазоном в ультрафіолетовій (УФ) та видимій областях довжин nхвиль з автоматичним вибором на 8 кювет.
Основні nособливості: відображення спектру на екрані, можливість автоматичного nкалібрування по декількох точках (до 7) при роботі в режимі вимірювання.
Рис. 16. Спектрофотометр СФ-103.
Рис. 17. Цифровий спектрофотометр Apel PD-303.
Область nзастосування: наукові, імунохімічні, біохімічні, бактеріологічні, екологічні дослідження. Прилад також використовується для дослідження якості води та продуктів харчування, відходів і nскладу ґрунтів у лабораторіях медичних установ, промислових підприємств, у nнавчальних закладах. Прилад оснащений цифровим дисплеєм для фіксації коефіцієнта світлопропускання, абсорбції та концентрації.
Спектральні nприлади мають таку класифікацію:
Одноканальні nспектральні прилади із просторовим поділом довжин хвиль:
1. Однопроменеві спектрофотометри — nприлади для області 0,19—1,1 мкм.
2. Спектрометри комбінаційного nрозсіювання можуть бути однопроменевими і двопроменевими.
3. Швидкісні спектрометри n(хроноспектрометри).
4. Спектрометри високої роздільної nздатності для досліджень структури атомних і nмолекулярних спектрів.
5. Двопроменеві спектрофотометри (СФ) nУ двопроменевих оптичних схемах потік від джерела розділяється на два пучки — nосновний і пучок порівняння.
Багатоканальні nспектральні прилади із просторовим поділом довжин хвиль:
1. Полум’яні nспектрофотометри вимірюють інтенсивності ліній абсорбції (емісії, nфлуоресценції) атомів елементів у полум’ї спеціальних пальників чи інших n“атомізаторів”.
2. Квантометри — nфотоелектричні установки для промислового спектрального nаналізу. Вони будуються на основі поліхроматорів; вихідні отвори поліхроматора nвиділяють із спектру випромінювання досліджуваної nречовини аналітичні лінії та лінії порівняння, що відповідають потоку і nпосилаються на приймачі (фотопомножувачі), встановлені в кожному отворі.
3. Спектрографи nодночасно реєструють протяжні ділянки спектру, розгорнутого у фокальній площині nна фотопластинках або фотоплівках (фотографічні спектрографи).
4. Швидкісні багатоканальні nспектральні прилади для досліджень спектрів nшвидкоплинних процесів.
Принцип nроботи і будова фотоелектроколориметра
Оптичні nметоди дослідження зв’язані в більшості випадків з фотометрією, тобто з nвимірюванням інтенсивності світла після проходження через досліджуваний об’кт. nФотометричні вимірювання бувають об’єктивні, які виконуються з допомогою nприладів без участі ока (наприклад, з допомогою фотоелемента) і суб’єктивні, nабо візуальні, які проводяться безпосередньо оком.
Фотоколориметри призначені для nвимірювання коефіцієнтів пропускання та оптичної щільності прозорих рідинних nрозчинів і прозорих твердих зразків, визначення концентрації речовини в nрозчинах, медичних стаціонарних лабораторіях, для визначення вмісту в крові і nсечі: цукру, білірубіну, глюкози, холестерину, креатиніну тощо. Є два типи nфотоколориметрів: однопроменеві та двопроменеві. У однопроменевих nспочатку в пучок світла поміщають кювету з розчинником, а потім таку ж кювету nіз забарвленим розчином, отже, вимірюють фотострум послідовно. Недоліком є те, nщо протягом проміжку часу між вимірюваннями можуть мінятися параметри джерела nживлення і в результаті інтенсивність світлового потоку. Цього недоліку nпозбуваються у двопроменевих фотометрах, у яких оптичну густину nвимірюють одночасно у двох кюветах.
Рис.21. Оптична nсхема однопроменевого фотоколориметра КФК-2: 1 – джерело nсвітла; 2 – лінзи; 3 – діафрагма; 4,5 – теплозахисний nта нейтральний світлофільтри; 6 – кольоровий світлофільтр; 7 – захисні nстекла; 8 –кювета з розчином; 9 – пластина, що nрозділяє світловий потік; 10 –світлофільтр; 11 – фотодіод n(590-980 нм); 12 – фотоелемент (315-540 нм).
Рис.22. Загальний вигляд фотоколориметра КФК-2: 1 – мікроамперметр, градуйований в одиницях світлопропускання та оптичної густини; 2 – джерело світла; 3 – ручка перемикача світлофільтрів; 4 – перемикач кювет; 5 – перемикач фотоелементів; 6 – регулятор показів на шкалі 1. |
Рис.34. Загальний вигляд фотоколориметра КФК-2.
Загальний вигляд приладу зображений на рис.34. На правій боковій nстороні знаходиться ручка правого вимірювального барабану (2) і ручка (1) для nпереміщення правого кювета тримача.
На верхній стороні приладу знаходиться: nмікроамперметр (4), кришка (5), яка закриває камеру з кюветотримачами, важіль (6) для перекриття світлових пучків шторкою. На nлівому боці розташовані: лівий компенсаційний барабан (9), ручка (8) для nрегулювання чутливості приладу (найбільша чутливість приладу буде при крайньому nлівому положенні ручки), ручка (7) для встановлення нульового положення nстрілки мікроамперметра; барабан (9) для фіксації дев’яти положень nсвітлофільтрів. На барабані (1) і (9) нанесені дві шкали. Чорна шкала називається шкалою nсвітлопропускання, на ній нанесені значення коефіцієнта світлопропускання Т nв процентах від 0,1 % до 100%. Друга шкала – червона nвідповідає оптичній густині D від 0 до 3,0
Схематичне зображення фотоелектроколориметра типу ФЕК
Світлові промені від лампи Л, відбившись від дзеркал З1 і nЗ2, проходять через світлофільтри С1 і С2 і попадають на фотоелементи Ф1 і Ф2, nструм яких підсилюється підсилювачем постійного струму, який працює по мостовій nсхемі (Рис ), в діагональ мостової схеми ввімкнений гальванометр.
Рис диференціального підсилювача постійного струму
· Диференціальний підсилювач працює по принципу nзбалансованого моста, два плеча якого утворені резисторами Rк1 і Rк2, а два інших nтранзисторами VT1 і VT2. Опір навантаження RH увімкнено в діагональ моста. Опір резисторів Rос1 і Rос2 зазвичай малий, nтому можна вважати що резистор Rе під’єднаний до емітерів транзистора. Під дією вхідної nнапруги Uвх nтранзистор VT1привідкривається і струм емітера зростає на ΔІе1, а завдяки вихідній nнапрузі Uвх nтранзистор VT2 призачиняється, і струм його емітера зменшується на ΔІе2. Таким nчином, результуючий приріст струму у колі резистора Rе (у колі гальванометра рис..) nпри ідеально симетричних плечах буде відсутній.
На рис. 21 показана оптична nсхема однопроменевого фотоколориметра КФК–2, а його загальний вигляд – на рис. n21.
Оптична схема двопроменевого фотоелектроколориметра ФЕК-56 показана на рис. n22.
Рис. 23. nОптична схема фотоелектроколориметра ФЕК-56: 1 – джерело nвипромінювання; 2 – світлофільтр; 3 – призма; n4 – лінзи; 5,5′ –дзеркала; 6 – кювети; n7,8 – діафрагми; 9,9′ – цезій-стибієві фотоелементи; n10 – індикаторна лампа (міліамперметр).
Прилади nмолекулярно-абсорбційної спектроскопії
Прилади абсорбційної спектроскопії nскладаються з таких головних частин:
¨ джерело nвипромінювання,
¨ оптичні засоби, серед яких найважливішими є диспергуючі – монохроматори nу спектрофотометрі, світлофільтри у фотоколориметрі,
¨ приймач потоку nвипромінювання (детектор).
Як джерело випромінювання найчастіше nвикористовують лампи розжарювання, які дають світловий потік із nсуцільним спектром випромінювання в широкому діапазоні (350 – 1000 нм). В окремих nвипадках джерелом випромінювання може бути воднева лампа (суцільний спектр у nдіапазоні 220 – 350 нм) або ртутно-кварцева лампа (лінійчатий спектр в nдіапазоні 315-630 нм). Оптичну густину забарвленого розчину завжди вимірюють nвідносно розчину порівняння (нульового розчину), яким може бути або сам nрозчинник, або всі реактиви, крім визначуваного компонента, так, щоб не nутворювалася забарвлена речовина.
Усі оптичні деталі в приладах для фотометрії, nякі працюють у видимій області спектра, виготовляють із скла, а для nроботи в ультрафіолетовому діапазоні – кварцову оптику. Межі інтервалу nпропускання довжин хвиль світлофільтрів – від 100 до 20-40 нм.
Як приймачі потоку випромінювання у всіх приладах nвикористовують фотоелементи. У фотоелементі світловий потік викликає nпояву фотоструму, сила якого пропорційна інтенсивності світлового потоку.
Поляризаційні мікроскопи дозволяють виявляти неоднорідності (анізотропію) структури при вивченні nбудови тканин і утворень в організмі при поляризованому світлі (візуалізація nзображення об’єкта в поляризованих променях). Поляризаційний мікроскоп широко nвикористовують у медико-біологічних дослідженнях при вивченні препаратів крові, nшліфів зубів, кісток і т.п. (мікроскоп Альтами ПОЛАР -варіант 1, мікроскоп nПолам Л-213М).
Лабораторні nполяризаційні мікроскопи серії ПОЛАМ призначені для досліджень nпрозорих об’єктів у прохідному світлі – звичайному і поляризованому. Мікроскопи nможуть працювати в комплексі з периферійним устаткуванням. Мікроскопи nзастосовуються в мінералогії, кристалографії, медицині, біології, хімії, nкриміналістиці та інших областях науки і техніки.
Рис.27. Мікроскоп Полам Л-213М.
Люмінесцентні nмікроскопи – це мікроскопи відбитого світла плоского поля, nпризначені для дослідження непрозорих об’єктів з різним ступенем роздільної nздатності, і напівпрозорих об’єктів. Люмінесцентні мікроскопи серії Альтами nЛЮМ, Микмед-2 вар. 11 і Микмед-2 вар. 12 призначені для імунологічних nдосліджень із застосуванням флюоресцентних і ферментних міток широкого профілю n(родамін, пероксаза та ін.), а також гістологічних і цитологічних досліджень у клінічній лабораторній діагностиці.
Стереомікроскопи nє мікроскопами тільки прямого вигляду. За допомогою звичайного nпрямого/інвертованого мікроскопа поглинутого/відбитого світла nплоского поля або стереоскопічного здійснюються спостереження об’єкта за nметодом світлого поля: на світлому полі спостерігається зображення контрастного nоднотонного або природного кольорового об’єкта. Стереомікроскопи призначені для nдослідження непрозорих об’єктів з різним ступенем nроздільної здатності та напівпрозорих об’єктів. За допомогою стереомікроскопів nздійснюються спостереження об’єкта за методом світлого поля: на світлому полі nспостерігається об’ємне зображення контрастного однотонного або природного nкольорового об’єкта. Мікроскоп МБС-10 призначений для спостереження як об’ємних nпредметів, так і тонких плівкових і прозорих об’єктів, nа також препарованих робіт. Спостереження може здійснюватися як при штучному, nтак і при природному освітленні у відбитому і прохідному світлі. Область nзастосування: ботаніка, біологія, медицина, мінералогія, археологія, nмашинобудування, приладобудування та інші області науки і техніки.
Рис.28. Мікроскоп стереоскопічний МБС-10.