OPTIKA. Vozáry Eszter November

Átírás

1 OPTIKA Vozáry Eszter November

2 FÉNY Energia: elektromágneses hullám c = λf részecske foton ε = hf Szubjektív érzet látás fény és színérzékelés

3 ELEKTROMÁGNESES SPEKTRUM c = λf ε = hf

4 FÉNY TRANSZVERZÁLIS HULLÁM

5 FÉNY INTERFERENCIA Azonos fázis Erősítés Ellenkező fázis Kioltás

6 FÉNY ELHAJLÁS Huygens elv a hullámfelület minden pontja elemi hullámok kiindulópontja Huygens-Fresnel elv Az elemi hullámok interferenciája adja a hullám felületet

7 FÉNY ELHAJLÁS Optikai rés

8 FÉNY ELHAJLÁS Optikai rács

9 Fény és anyag kölcsönhatása

10 Elektron energia szintek εe 1 3eV ε r eV ε f eV 1eV = 1.6 *10 19 J

11 Fényvisszaverődés Szabályos visszaverődés R = 2 ( n2 n1 ) ( n + n ) 2 Diffúz visszaverődés (objektum belsejéből) 2 1 R = ( 2 1) ( ) 2 2 n n + K n + n + K K = kλ 4π

12

13 Fényabszorpció di = Ik( λ)dx di = I k ( λ) dx Lambert-Beer törvény I lg 0 I = k ( λ ) l = ε ( λ)cl

14 Abszorpciós spektrofotometria

15

16 Fotocella Fotoelektronsokszorozó (fotomultiplier) Fotodiódák Fotoellenállások Fényelemek

17 Abszorpciós spektrum

18 Fotoakusztikus spektroszkópia Átlátszatlan anyagokra Zárt térben Fény abszorpció Lokális felmelegedés Sűrűség változás Nyomás változás Mechanikai hullámok Mikrofonos érzékelés Például: Pezsgőtabletták színezőanyag tartalma

19 Infravörös spektroszkópia rezgési nívók közötti energia átmenetek Közeli infravörös tartomány: nm Közép infravörös tartomány: nm Távoli infravörös tartomány: mikron Kétatomos molekula rezgési frekvenciája: f 1 = 2 π D m 1 + m m m Széndioxid molekulára: 26 m C = 2 *10 27 m O = 2,7 *10 D = 10 3 N / m kg kg f 13 = 4,7 *10 Hz

20 A víz normálrezgései Zsírsav egymástól aszimmetrikus függetlenek szimmetrikus rezgési

21 Infravörös spektroszkópia

22 0,6 0,5 0,4 absz 0,3 frissebb liszt régebbi liszt 0,2 0, lambda, nm 0,007 0,005 0,003 absz 0,001 frissebb liszt régebbi liszt -0, ,003-0,005 lambda, nm

23 Emissziós spektroszkópia Spektrumok Elektronenergia szintek spin állapotok

24 Fénykibocsátás vagy emisszió Fotolumineszcencia Kemolumineszcencia Biolumineszcencia Radiolumineszcencia Termolumineszcencia

25 Emisszó mérése Fehérjék Pigmentek színanyagok Nukleinsavak Speciális festékek kötödéssel csoportok helyének, mozgásának konformációjának meghatározása

26 Termolumineszcencia

27 Lézerfény Nagy intenzitás Nagy fénysűrűség Monokromatikus fény Nagy a koherenciahossz (interferencia) Hologram készítésére alkalmas

28 Poláros fény előállítása Síkban poláros fény lineárisan poláros fény Cirkulárisan poláros fény Elliptikusan poláros fény Abszorpció emisszió fluoreszcencia mérése poláros fénnyel Idő függés Különböző kromofórok mozgása

29 Polarimetria α = cl [ α] Optikai forgatóképesség -- síkban poláros fény Cukrok koncentrációjának meghatározása

30 Szerkezetvizsgálati módszerek Speciális mikroszkópok Abszorpciós spektrofotometria Emissziós spektrofotometria Reflexiós spektrofotometria - Közeli infravörös spektroszkópia NIR Egyetlen molekula vizsgálata - fénycsipesz, atomerő-mikroszkóp

31 Látószög A különböző méretű tárgyakat azonos látószög esetén ugyanakkorának látjuk Az egyszerű nagyító Egyenes állású látszólagos kép K tgβ = = k Ta 1 1 N szög = = a tgα T tt f k a

32 A fénymikroszkóp képalkotása N k1 k 2 = N1N 2 = t t 1 d f a f da = f f δ = λ nsinω d optikai tubushossz a tisztánlátás távolsága

33 Hullámfizikai meggondolások szerint - Ernst Abbe ( ) A tárgy pontokon elhajlást szenvedő sugarak interferenciája adja a képet Kép akkor keletkezik, ha a nulladrendű sugarakon kívül az elsőrendű elhajlás sugarai is bejutnak a tárgylencsébe A tárgy: optikai rács Maximumhelyek iránya: d rácsállandó λ - hullámhossz k=0, 1, 2, Feltétel az objektív nyílásszögére: s = d sinα k = λ d kλ = k sinα sinω

34 Az a legkisebb távolság, amely még megkülönböztethető (k=1): δ = λ sin ω A mikroszkóp feloldóképessége levegőben: δ 1 Ha n törésmutatójú közeg van a tárgy és az objektív között: δ = λ nsinω Pontosabb számításokkal: δ = λ 0,61 nsinω Cél a feloldóképesség növelése: - hullámhossz csökkentése törésmutató növelése objektív nyílásszögének növelése

35 A tárgy megvilágítása August Köhler ( ) szerint A mikroszkóp feloldását a tárgy lencse határozza meg A nyílásszög Az immerzió (n értéke) Az anyaga pl. kvarcüveg A szemlencse már nem ad újabb részleteket, csak a meglévőket nagyítja

36 Sztereomikroszkóp Egyenes állású kép Térbeli kép

37 Speciális mikroszkópok Sötétlátóterű mikroszkóp Ultraibolya mikroszkóp Lumineszcencia mikroszkóp Polarizációs mikroszkóp Atomerő mikroszkóp Fénycsipesz

38 Ultramikroszkóp Sötét látótér Azok a részecskék látszanak, amelyekről szóródik a fény kisebbek is lehetnek, mint a feloldóképesség reciproka A részecskék mozgása is megfigyelhető A részecskék valódi színe is látható

39 Fluoreszcencia mikroszkóp Lehet natív fluoreszcencia fehérjék, szerves molekulák Lehet szelektíven kötött fluoreszkáló festék A megvilágító fény a gerjesztő fény Le kell választani a gerjesztő fényt a fluoreszcenciáról szűrők, tükrök Dikroikus tükör - egy bizonyos hullámhossz tartományban ver vissza a többi hullámhosszt átengedi Epifluoreszcens elrendezés

40 Polarizációs mikroszkóp Kettősen törőanyagok vizsgálatára törésmutató függ az iránytól pl. membránok izom rendezett molekulák áramló makromolekulák Polarizátor lineárisan poláros fényt állít elő Minta - elforgatja a rezgési síkot cirkulárisan polarizál Analizátor a polarizátorra merőlegesen áll.

41 Fáziskontraszt mikroszkóp Átlátszó részek megkülönböztetése a fény fázisában lévő különbségeket intenzitás különbségekké alakítja Nincs szükség fixálásra Időbeli folyamatok is megfigyelhetőek

42 Konfokális lézer pásztázó mikroszkópia CLSM

43 Atomerő mikroszkóp AFM=Atomic Force Microscop

44 Lézercsipesz