лекция 9 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Педиатрия К.п.н., доцент Шилина Н.Г. Красноярск, 2012 Тема: Волновая и геометрическая оптика. Взаимодействие света с веществом. Кафедра медицинской и биологической физики

План лекции 1. Интерференция и дифракция света. 2. Геометрическая оптика. Линзы. Микроскоп. 3. Глаз как ЦОС. Недостатки оптической системы глаза. 4. Взаимодействие света с веществом: рефракция света. Волоконная оптика; поглощение света. Концентрационная колориметрия; рассеяние света. Нефелометрия; поляризация света. Поляриметрия.

Интерференция света – сложение когерентных волн с образованием устойчивой картины их усиления и ослабления если Арез = 2Аcos(kπ) = 2A – max Арез = 2Аcos(2k+1)π/2 = 0 – min

Интерферометр Майкельсона Зеркало Пластина 3 2 S n2n2 Зеркало n1n1 Источник монохроматического света δ=2ln 1 -2ln 2 =2l(n 1 -n 2 )=kλ n=kλ/2l

Интерференционный микроскоп А Д Микрообъект По результатам интерференции определяют показатель преломления, толщину микрообъектов…

Интерференционный микроскоп Разрешающая способность составляет около 100 нанометров. Клетки освещаются не лучом света, а тонкими полосами света - интерференционным узором. Интерференционный микроскоп ФемтоСкан Инлайт

Интерферометры применяются для: контроля чистоты воздуха в помещениях; определения формы микронеровностей поверхностей; измерения эталонов длины, показателей преломления. Интерференционный микроскоп применяется для определения: концентрации сухого вещества; размеров прозрачных неокрашенных микрообъектов.

Фотография нагруженного зуба в интерференционном микроскопе

Дифракция света -э-это явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями, соизмеримыми с длиной волны. Принцип Гюйгенса – Френеля Каждая точка волнового пространства, до которой дошло возмущение, является центром элементарных вторичных волн, которые являются когерентными и могут интерферировать

Дифракция на щели a·sinα=±kλ – условие минимума

Дифракционная решетка d·sinα=±kλ – условие max

Угловая дисперсия – это угловое расстояние между двумя линиями спектра, длины волн которых различаются на единицу (dλ=1) или Разрешающая способность – это отношение длины волны к наименьшему интервалу длин волн, которые еще могут быть разрешены. или R = kN

Разрешающая способность

Вид спектра при освещении белым светом

Рентгеноструктурный анализ 2d·sinθ=±kλ - формула Вульфа – Брэггов Рентгенограмма монокристалла (а) и поликристалла (б) Рентгенограмма белков Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК. Удостоены Нобелевской премии в 1962 г.

Голография - метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн (Д.Габор, 1948 г.; цветная голография – Ю.Н. Денисюк)

Геометрическая оптика – раздел, в котором изучают законы распространения света на основании представления о световом луче как линии, вдоль которой распространяется энергия световой волны. Геометрическая оптика – предельный случай волновой оптики (длина волны стремится к нулю).

Виды линз 1.Собирающие (F – «+» ) 2. Рассеивающие (F – «–» ) 3. Цилиндрические

1. Изображение формируется приосевыми (параксиальными) лучами 2. Лучи составляют небольшие углы с главной оптической осью системы 3. Показатель преломления для всех длин волн одинаков Формула тонкой линзы

Аберрации линз Сферическая Хроматическая

Аберрации линз Дисторсия Астигматизм

3. Идеальная центрированная оптическая система (ЦОС)

Идеальная центрированная оптическая система (ЦОС) F F HH MM H, H – главные точки ЦОС F – фокусы ЦОС MH = MH

F F NN Кардинальные точки ЦОС N, N – узловые точки ЦОС Фокусы, две главные и две узловые точки называются кардинальными точками ЦОС α α

Основные точки и плоскости ЦОС 1.Главные точки: H 1 и H 2 ; C 1 H 1 = C 2 H 2 2. Фокусы: F 1 и F 2 ; F 1 H 1 = - f 1 ; F 2 H 2 = f 2 Главные точки и фокусы – кардинальные точки 3. Узловые точки: N 1, N 2

4. Микроскоп. Увеличение разрешающая способность. Г = Г об Г ок Г ок = а 0 /f ок Г об = Δ/ fоб Г = 1500 – 2000 Δ- оптическая длина тубуса ~ f об -f ок а 0 =25 см

Увеличение микроскопа – отношение угла зрения β, под которым видно изображение предмета, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» глазом с расстояния наилучшего зрения. Предел разрешения z – наименьшее расстояние между двумя точками предмета, при котором они различимы как отдельные объекты. Разрешающая способность – величина обратная пределу разрешения (R=1/z)

Теория Э.Аббе Предел разрешения 2dsin(u/2)=λ

Полезное увеличение Полезное увеличение – такое увеличение, при котором предмет, имеющий размер, равный пределу разрешения микроскопа, имеет изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза. 500А< Г п < 1000А

5. Специальные приемы микроскопии Метод иммерсии А – числовая апертура

Метод фазового контраста предложен Ф.Цернике

а) – без конденсора б) – с конденсором Метод темного поля

6. Оптическая система глаза 1- склера 2- роговица 3- сосудистая оболочка 4- радужная оболочка 5-зрачок 6-хрусталик 7-кольцевая мышца 8- передняя камера 9-зрительный нерв 10- сетчатка 11-стекловидное тнло 12- желтое пятно 13- центральная ямка 14- «слепое пятно» 15- конъюктива

Светопроводящая часть глаза Роговица (D = 42 – 43 дптр) Хрусталик (D = 19 – 33 дптр) Жидкость передней камеры (D = 2 – 4 дптр) Стекловидное тело (D = 5 – 6 дптр) В покое оптическая сила всего глаза около 60 дптр.

Характеристики Аккомодация – приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов. Расстояние наилучшего зрения – а 0 = 25 см Ближняя точка глаза – наиболее близкое расположение предмета от глаза, при котором еще возможно четкое изображение на сетчатке.

Угол зрения – это угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через оптический центр глаза B/L = b/l следовательно b = Bl/L и l=17 мм

Разрешающая способность – это способность различать две близкие точки предмета раздельно. Предел разрешения – наименьшее расстояние между двумя точками предмета, рассматриваемого с расстояния наилучшего зрения, при котором они различимы как отдельные объекты. Z = а 0 β а 0 =0,25 м; β= рад; Z = м = 75 мкм

Острота зрения Острота зрения – величина, обратная наименьшему углу зрения (V= 1/β) Таблица 1. Острота зрения для некоторых значений β В норме V=1

Недостатки оптической системы глаза

Сетчатка Палочки (более светочувствительны) – аппарат зрения сумеречного ахроматического (130 млн.) Колбочки – аппарат зрения дневного и цветового (7 млн.) Световоспринимающая часть глаза

Рефракция света Явление преломления света (изменение скорости и направления света при переходе из одной среды в другую) называется рефракцией. абсолютный показатель преломления относительный показатель преломления

Законы преломления света: 1. Луч, падающий на границу раздела двух сред, перпендикуляр к поверхности в точке падения луча и преломленный луч лежат в одной плоскости.

2. Отношения синуса угла падения α к синусу угла преломления β лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой: а) свет переходит из среды оптически менее плотной в более плотную (например, из воздуха в воду) Угол падения больше угла преломления

б) свет переходит из среды оптически более плотной в менее плотную (например, из стекла в воздух ) Угол падения меньше угла преломления - предельный угол полного внутреннего отражения

Волоконная оптика Устройства, в которых используется явление полного отражения для передачи света, - волоконная оптика Ход лучей в световоде Пучок волокон (световод) Волоконный биопсийный сигмоидоколоноскоп Бронхоскоп Б-ВО-3-1

Поглощение света Ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии

Закон Бугера d Твердое тело dx I0I0 IdId dI=-k λ Idx; dI/I=-k λ dx I d =I 0 e -k λ d ; I d =I k λ d K λ – монохроматический натуральный показатель поглощения. K λ = 0,43 k λ

Зависимость интенсивности света, прошедшего через вещество, от толщины слоя IdId Od экспоненциальный вид

Закон Бера Раствор концентрацией С K λ =x λ C X λ – монохроматический удельный показатель поглощения.

Закон Бугера-Ламберта-Бера Раствор I0I0 IdId I d =I 0 e -χ λ cd I d =I χ λ cd χ λ =0,43χ λ

Коэффициент пропускания Отношение интенсивности света прошедшего через вещество I d к интенсивности падающего света I 0.

I0I0 IdId I0I0 I d =0 Оптическая плотность раствора I d =I 0

Концентрационная колориметрия Метод определения концентрации вещества в окрашенных растворах по поглощению света В основе закон Бугера-Ламберта-Бера I d =I 0 e -xcd D= χ λ c 1 d 1 D= χ λ c 2 d 2 c1d1=c2d2c1d1=c2d2

Фотоколориметр Прибор, определяющий концентрацию окрашенных растворов

Спектры поглощения Зависимости k λ = f(λ) или χ λ = f(λ) Цвет вещества определяется спектром поглощения Зеленый – поглощаются все цвета кроме зеленого, а зеленый отражается

Спектры поглощения спектр поглощения вещества Зависимости ε, D, χ от длины волны λ характеризуют спектр поглощения вещества. Линейчатый Непрерывный

Рассеяние света Явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. I0I0 IdId

Рассеяние света Рассеяние света мутными средами Рассеяние света оптическими неоднородностями (флуктуации плотности) Явление Тиндаля Молекулярное I d =I 0 e -ml m – натуральный показатель рассеяния

Закон Рэлея Неоднородность d ~ 0,2λ I ~ 1/λ 4 – голубой цвет Неоднородность d > 0,2λ I ~ 1/λ 2 - серый цвет

Поглощение + рассеяние I d =I 0 e -μd μ=m+k

Нефелометрия Методы измерения рассеянного света с целью получения информации о рассеивающей системе.

Нефелометрия 1. Степень поляризации 2. Спектральный состав 3. Размеры макромолекул в растворах 4. Размеры частиц в эмульсиях, аэрозолях

Естественный свет

Естественный свет - это совокупность электромагнитных волн со всевозможными направлениями световых векторов Е, и все направления вектора равноправны.

Плоскополяризованный свет- это совокупность электромагнитных волн с одинаковой ориентацией всех световых векторов Е. Плоскость, в которой лежат световой вектор Е и направление распространения света, называется плоскостью поляризации.

Условные обозначения

Методы получения поляризованного света При отражении и преломлении на границе двух диэлектриков При двойном лучепреломлении Призма Николя Поляроиды

Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера tg(i Б )=n 2 /n 1

Поляризация при двойном лучепреломлении

Призма Николя n e

Поляризатор- устройство, пропускающее составляющую светового вектора, лежащую в определенной плоскости. Такая плоскость называется главной плоскостью поляризатора.

Анализатор поляризатор, используемый для анализа предварительно поляризованного света.

Закон Малюса Интенсивность света I проп, пропущенного через анализатор, равна произведению интенсивности падающего плоскополяризованного света I пад, умноженной на квадрат косинуса угла между плоскостью поляризации и главной плоскостью анализатора. I проп = I пад cos 2 I проп = I пад cos 2

Закон Малюса

Поляризация в дихроичных кристаллах значительное поглощение обыкновенного луча по сравнению с необыкновенным лучом. Например, турмалин, герапатит Происходит при двойном лучепреломлении!

Оптически активные вещества L C Угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя L и концентрации вещества C: поворачивать способны поворачивать плоскость поляризации. C L C L

a 0 - удельное вращение, зависит от природы вещества, температуры и свойств растворителя численно равен углу поворота плоскости поляризации монохроматического светового луча с λ=589 нм, прошедшего раствор единичной концентрации (1г/100 мл), находящйся в кювете единичной длины (1дм) Закон Био:

Поляриметр (Сахариметр) измеряет величину вращения плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через оптически активное вещество. Используются в медицине для определения концентрации сахара в моче.

Поляриметры 1 – источник света; 2 – светофильтр; 3 – объектив; 4 – поляризатор; 5 – кварцевая пластина; 6 – кювета с раствором; 7 – анализатор; 8 – окуляр.

Тест-контроль Ослабление интенсивности света при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды называется: 1. дифракцией 2. интерференцией 3. поглощением 4. поляризацией.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Обязательная: Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, Дополнительная: Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа, Богомолов В.М. Общая физиотерапия: учебник. -М.: Медицина, Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник. -СПб.: Спецлит, Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов /сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМУ, Электронные ресурсы: ЭБС КрасГМУ Ресурсы интернет Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ