OPTIKA Vozáry Eszter 2015. November
FÉNY Energia: elektromágneses hullám c = λf részecske foton ε = hf Szubjektív érzet látás fény és színérzékelés
ELEKTROMÁGNESES SPEKTRUM c = λf ε = hf
FÉNY TRANSZVERZÁLIS HULLÁM
FÉNY INTERFERENCIA Azonos fázis Erősítés Ellenkező fázis Kioltás
FÉNY ELHAJLÁS Huygens elv a hullámfelület minden pontja elemi hullámok kiindulópontja Huygens-Fresnel elv Az elemi hullámok interferenciája adja a hullám felületet
FÉNY ELHAJLÁS Optikai rés
FÉNY ELHAJLÁS Optikai rács
Fény és anyag kölcsönhatása
Elektron energia szintek εe 1 3eV ε r 0.1 0. 01eV ε f 0.01 0. 001eV 1eV = 1.6 *10 19 J
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 2 1 2 2 K = kλ 4π
Fényabszorpció di = Ik( λ)dx di = I k ( λ) dx Lambert-Beer törvény I lg 0 I = k ( λ ) l = ε ( λ)cl
Abszorpciós spektrofotometria
Fotocella Fotoelektronsokszorozó (fotomultiplier) Fotodiódák Fotoellenállások Fényelemek
Abszorpciós spektrum
Fotoakusztikus spektroszkópia Átlátszatlan anyagokra Zárt térben Fény abszorpció Lokális felmelegedés Sűrűség változás Nyomás változás Mechanikai hullámok Mikrofonos érzékelés Például: Pezsgőtabletták színezőanyag tartalma
Infravörös spektroszkópia rezgési nívók közötti energia átmenetek Közeli infravörös tartomány: 800 2500 nm Közép infravörös tartomány: 2500 50000 nm Távoli infravörös tartomány: 50-1000 mikron Kétatomos molekula rezgési frekvenciája: f 1 = 2 π D m 1 + m m m 1 2 2 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
A víz normálrezgései Zsírsav egymástól aszimmetrikus függetlenek szimmetrikus rezgési
Infravörös spektroszkópia
0,6 0,5 0,4 absz 0,3 frissebb liszt régebbi liszt 0,2 0,1 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 lambda, nm 0,007 0,005 0,003 absz 0,001 frissebb liszt régebbi liszt -0,001 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400-0,003-0,005 lambda, nm
Emissziós spektroszkópia Spektrumok Elektronenergia szintek spin állapotok
Fénykibocsátás vagy emisszió Fotolumineszcencia Kemolumineszcencia Biolumineszcencia Radiolumineszcencia Termolumineszcencia
Emisszó mérése Fehérjék Pigmentek színanyagok Nukleinsavak Speciális festékek kötödéssel csoportok helyének, mozgásának konformációjának meghatározása
Termolumineszcencia
Lézerfény Nagy intenzitás Nagy fénysűrűség Monokromatikus fény Nagy a koherenciahossz (interferencia) Hologram készítésére alkalmas
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
Polarimetria α = cl [ α] Optikai forgatóképesség -- síkban poláros fény Cukrok koncentrációjának meghatározása
Szerkezetvizsgálati módszerek Speciális mikroszkópok Abszorpciós spektrofotometria Emissziós spektrofotometria Reflexiós spektrofotometria - Közeli infravörös spektroszkópia NIR Egyetlen molekula vizsgálata - fénycsipesz, atomerő-mikroszkóp
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
A fénymikroszkóp képalkotása N k1 k 2 = N1N 2 = t t 1 d f a f da = f f 2 1 2 1 2 δ = 0. 61 λ nsinω d optikai tubushossz a tisztánlátás távolsága
Hullámfizikai meggondolások szerint - Ernst Abbe (1840-1905) 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
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
A tárgy megvilágítása August Köhler (1866-1948) 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
Sztereomikroszkóp Egyenes állású kép Térbeli kép
Speciális mikroszkópok Sötétlátóterű mikroszkóp Ultraibolya mikroszkóp Lumineszcencia mikroszkóp Polarizációs mikroszkóp Atomerő mikroszkóp Fénycsipesz
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
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
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.
Fáziskontraszt mikroszkóp Átlátszó részek megkülönböztetése a fény fázisában lévő különbségeket intenzitás különbségekké alakítja Nincs szükség fixálásra Időbeli folyamatok is megfigyelhetőek
Konfokális lézer pásztázó mikroszkópia CLSM
Atomerő mikroszkóp AFM=Atomic Force Microscop
Lézercsipesz