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
∆ε e ≈ 1 − 3eV
∆ε r ≈ 0.1 − 0.01eV
∆ε f ≈ 0.01 − 0.001eV
1eV = 1.6 * 10 −19 J
Fényvisszaverődés Szabályos visszaverődés
( n2 − n1 ) R= (n2 + n1 )2 2
Diffúz visszaverődés (objektum belsejéből)
( n 2 − n1 ) + K 2 2
R=
(n
+ n1 ) + K 2 2
2
kλ K= 4π
Fényabszorpció − dI = Ik (λ )dx dI − = k( λ ) dx I
Lambert-Beer törvény
I0 lg = k (λ )l = ε (λ )cl I
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 2π
D
m1 + m2 m1 m2
Széndioxid molekulára: mC = 2 * 10 −26 kg mO = 2,7 * 10 −27 kg
D = 10 3 N / m
f = 4,7 * 1013 Hz
A víz normálrezgései
egymástól
Zsírsav
aszimmetrikus
függetlenek
szimmetrikus rezgési
Infravörös spektroszkópia
0,6
0,5
frissebb liszt
0,3
régebbi liszt
0,2
0,1
0 1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
lambda, nm
0,007
0,005
0,003
absz
absz
0,4
frissebb liszt régebbi liszt
0,001
1000
1200
1400
1600
1800
-0,001
-0,003
-0,005 lambda, nm
2000
2200
2400
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
N szög
K 1 1 tgβ Ta = = k = = a − tgα T tT f k a
A fénymikroszkóp képalkotása
k 1 k 2 d −a da N = N1N 2 = ≈ =− t 1 t 2 f1 f 2 f1 f 2 d – optikai tubushossz a – tisztánlátás távolsága
λ δ = 0.61 n sin ω
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:
∆s = d sin α k = kλ
d – rácsállandó λ - hullámhossz k=0, 1, 2, … Feltétel az objektív nyílásszögére:
λ d
= sin α k ≤ sin ω
Az a legkisebb távolság, amely még megkülönböztethető (k=1):
δ=
λ sin ω 1
A mikroszkóp feloldóképessége levegőben:
δ
Ha n törésmutatójú közeg van a tárgy és az objektív között:
δ =
Pontosabb számításokkal:
λ n sin ω
δ = 0,61
λ n sin ω
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
