Optické metody
• Soubor fyzikálních metod • Společný mechanismus – interakce hmoty a elektromagnetického záření • Dělení: • Metody spektroskopické – adsorpce či emise záření • Metody nespektroskopické – změna vlastností při průchodu světla • Objektivní – fotografiský aparát, promítače, zvětšování • Subjektivní – brýle, lupa, mikroskop, dalekohled atd.
• Rozdělení optických metod
Elektromagnetické záření • kombinace příčného postupného vlnění magnetického a elektrického pole tedy elektromagnetického pole • Elektromagnetickým zářením se zabývá obor fyziky nazvaný elektrodynamika, což je podobor elektromagnetismu • Infračerveným zářením, viditelným světlem a ultrafialovým zářením se zabývá optika. • Na elektromagnetické záření se stejně jako na cokoliv jiného dá nahlížet jako na vlnu nebo proud částic (fotonů)
Část viditelného spektra
Druhy elektromagnetického záření Elektromagnetické záření se rozděluje podle vlnových délek: •
Rádiové vlny o Dlouhé vlny o Střední vlny o Krátké vlny o Velmi krátké vlny o Ultra krátké vlny o Centimetrové vlny a kratší, také nazývané mikrovlnné záření
•
Infračervené záření
•
Viditelné světlo
•
Ultrafialové záření
•
Rentgenové záření
•
Gama záření
Příklady spekter: a) spojité spektrum b) čárové (emisní) spektrum c) pásové spektrum d) absorpční čárové spektrum
Barva
Vlnová délka
Frekvence
červená
~ 625 až 740 nm
~ 480 až 405 THz
oranžová
~ 590 až 625 nm
~ 510 až 480 THz
žlutá
~ 565 až 590 nm
~ 530 až 510 THz
zelená
~ 520 až 565 nm
~ 580 až 530 THz
azurová
~ 500 až 520 nm
~ 600 až 580 THz
modrá
~ 430 až 500 nm
~ 700 až 600 THz
fialová
~ 380 až 430 nm
~ 790 až 700 THz
Lupa •
optický systém používaný na optické zvětšení pozorovaného předmětu, který je dostatečně malý a nachází se v blízkosti pozorovatele.
•
Skládá se ze spojné čočky, vyrobené typicky ze skla nebo průhledného plastu a držátka, které může mít mnoho různých podob, od prosté tyčky, za kterou lze lupu držet, přes různé stojany, až po pouzdra, do kterých lze lupu zároveň uschovat.
•
Princip:
a) Pozorování předmětu bez lupy, kde α označuje zorný úhel. b) Pozorování stejného předmětu s lupou. Zorný úhel α´ je větší než úhel α při pozorování bez lupy.
Dalekohled •
přístroj sloužící k optickému přiblížení pomocí soustavy čoček nebo i zrcadel.
•
Dělí se na reflektory, jejichž objektiv je tvořen zrcadlem a refraktory, jejichž objektiv je tvořen jednou čočkou, nebo jejich soustavou.
•
První dalekohled si 2. října 1608 nechal patentovat holandský optik Hans Lippershey. Jeho poznatky použil již o rok později známý italský vědec Galileo Galilei a pomocí zdokonaleného dalekohledu za použití spojky a rozptylky učinil plno převratných objevů, jako jsou Jupiterovy měsíce nebo skvrny na Slunci. Bohužel při pozorování Slunce si nechránil zrak a později oslepl.
•
Dále přispěl ke zdokonalení dalekohledu Johannes Kepler který vytvořil první dalekohled pomocí dvou spojek. Získal tak sice převrácený, ale ostřejší obraz.
•
Také Isaac Newton přispěl ke zdokonalení dalekohledu, když při konstrukci použil zrcadlo a zbavil se tak běžné vady dalekohledů a to barevného rozkladu světla.
•
Moderní triedr používá soustavu čoček a hranolů.
•
Největším dalekohledem na světě je v současné době jihoafrický SALT.
Optický mikroskop • česky též drobnohled • optický přístroj pro zobrazení malého sledovaného objektu ve větším zvětšení • Pod označením mikroskop je obvykle myšlen optický mikroskop • pro zobrazení využívá světelných paprsků
Historie • Podle některých zdrojů první drobnohled sestavil v roce 1590 v Holandsku Zacharias Jansen. • V roce 1610 se na základě Jansenovy konstrukce mikroskopií zabýval Galileo Galilei. • Jeden z jednoduchých mikroskopů sestavil v roce 1676 holandský obchodník a vědec Anton van Leeuwenhoek, jehož práce patřily k vrcholům mikroskopického pozorování 17. století. • Významné bylo dílo Roberta Hooka Micrographia, v němž popsal v roce 1665 konstrukci mikroskopu s odděleným objektivem, okulárem a osvětlovacím zařízením. • Jako první zahájila výrobu mikroskopů firma Carl Zeiss v roce 1847.
Popis mikroskopu •
Čočky - tvoří objektiv a okulár (často výměnné)
•
Jednoduchý mikroskop složen ze dvou spojných soustav čoček, které mají společnou optickou osu:
•
Objektiv - malá ohnisková vzdálenost (řádově v milimetrech) –
•
Pozorovaný předmět se umisťuje blízko před předmětové ohnisko, takže vzniká skutečný, zvětšený a převrácený obraz.
Tento obraz vzniká mezi druhou částí mikroskopu, tzv. okulárem, a jeho předmětovým ohniskem. –
Vzniklý obraz pak pozorujeme okulárem podobně jako lupou, čímž získáváme další zvětšení.
–
Ohnisková vzdálenost okuláru se pohybuje v řádech centimetrů. Obrazové ohnisko objektivu a předmětové ohnisko okuláru nesplývají, ale jsou od sebe vzdáleny o hodnotu optického intervalu, jehož hodnota se u mikroskopu pohybuje mezi 15 cm a 20 cm.
Pro úhlové zvětšení mikroskopu platí vztah
Grafická konstrukce optického zobrazení mikroskopem.
kde γ a γ0 označuje zvětšení objektivu a okuláru, f je obrazová ohnisková vzdálenost objektivu, f0 je předmětová ohnisková vzdálenost okuláru, Δ je optický interval mikroskopu a d je konvenční zraková vzdálenost. Optickým mikroskopem se běžně dosahuje zvětšení 50× až 1000×. Maximální teoretické zvětšení je asi 2000× a to již naráží na fyzikální bariéry kvůli omezení délky světelných vln.
Elektronová mikroskopie • Elektronový mikroskop - obdobou optického mikroskopu, kde jsou fotony nahrazeny elektrony a optické čočky elektromagnetickými čočkami, což je vlastně vhodně tvarované magnetické pole. • Využívá se toho, že vlnové délky urychlených elektronů jsou o mnoho řádů menší než fotonů viditelného světla. Proto má elektronový mikroskop mnohem vyšší rozlišovací schopnost a může tak dosáhnout mnohem vyššího zvětšení (až 1 000 000×). • Jeho vynálezce Ernst Ruska obdržel za svůj objev Nobelovu cenu. • Preparáty - ultratenké řezy (30-60 nm), výbrusy
Typy • transmisní elektronový mikroskop (TEM) nepohyblivý elektronový svazek, detekce elektronů prošlých vzorkem (TE) na fluorescenčním stínítku nebo detektorem. • rastrovací elektronový mikroskop (SEM) pohyblivý svazek, zobrazení povrchu vzorku pomocí sekundárních elektronů (SE), odražených elektronů (BE), případně signálu z jiných detektorů.
Detektory SEM • SE detektor - detektor sekundárních elektronů • BSE detektor - detektor odražených elektronů • TE detektor - detektor prošlých elektronů • EDX / WDX mikroanalýza- detekce RTG záření, rentgenová spektroskopie • EBSD - difrakce odražených elektronů (kanálovací efekt)
Konfokální mikroskop •
druh optického mikroskopu, výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu, tzv. konfokál.
•
Známy jsou tyto typy mikroskopu: –
rastrující konfokální mikroskop - skenující zařízení zařizuje posun ohniska excitujícího laserového paprsku
–
konfokální mikroskop s rotujícím diskem - místo skenujícího zařízení obsahuje rotující Nipkowovův kotouč, na kterém je mnoho navzájem oddělených clonek
•
Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu:
•
Laserový paprsek (intenzivní bodový zdroj světla) je fokusován na clonku, dále prochází objektivem až na vzorek, kde je obraz clonky fokusován do bodu, jehož průměr odpovídá difrakční mezi (rozlišovací mez).
•
Přes stejný objektiv jde zpětně i světlo na vzorku odražené či rozptýlené, případně fluorescence. Sekundární světlo putující zpět prochází opět clonkou, jejichž bodový obraz je s pomocí děliče paprsků lokalizován před fotonásobič, kde.je umístěna druhá konfokální bodová clonka, která filtruje světlo pocházející z oblasti mimo ohniskovou rovinu mikroskopu.
•
Obraz celé zaostřené roviny lze pak získat rastrováním bod po bodu některým z těchto postupů:
•
–
rozmítání laserového paprsku
–
příčný posuv vzorku před objektivem
–
posuv objektivu nad vzorkem.
Rozlišovací schopnost: –
Při použití objektivu o NA (numerická apertura) cca 1,3 a s využitím modrozelené čáry Ar laseru (λ = 488 nm) by odpovídala tloušťka optických řezů asi 0,4 mikrometru.
–
Dále při maximálním průměru konfokální clonky odpovídajícímu 1/4 průměru centrálního maxima Airyho kroužku, lze tvrdit, že rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu je přibližně 1,4x lepší než klasického mikroskopu o téže NA objektivu.
Polarizační mikroskop •
řídí se Biotovými zákony: – – – –
Velikost Velikost Velikost Velikost
stočení polarizační roviny je úměrná vzdálenosti, kterou světlo v látce urazilo. pravotočivého a levotočivého stočení stejné látky se odlišuje pouze znaménkem. stočení způsobené několika vrstvami látky se algebraicky sčítá. stočení klesá s rostoucí vlnovou délkou světla úměrně druhé mocnině.
•
V dnešní době má uplatnění především v mineralogii, biologické aplikace po zavedení elektronové mikroskopie ztratily na významu.
•
Vedle ultramikroskopu bylo použití polarizačního mikroskopu základem tzv. submikroskopické morfologie protoplasmy.
•
Použití:
•
V biologii se používá v případech, kdy je potřeba vyloučit chyby vzniklé dvojlomem, při některých cytofotometrických experimentech či v patologii.
•
Ve forenzní chemii se polarizační mikroskop používá k podrobnějšímu zkoumání, především vláken a vlasů.
Mikroskopie atomárních sil •
(AFM z anglického atomic force microscopy) - mikroskopická technika, která se používá k trojrozměrnému zobrazování povrchů.
•
Prvně ji realizovali v roce 1986 a Binnig, Quate Gerber.
•
Obraz povrchu se zde sestavuje postupně, bod po bodu.
•
Metoda dosahuje velmi vysokého rozlišení – může zobrazovat i atomy.
•
Techniku AFM lze použít nejen k zobrazování, ale také k tvorbě struktur či zpracování povrchů v nanometrové oblasti.
•
V principu je AFM podobná metoda jako tunelová mikroskopie.
•
K detekci však neslouží elektrický proud, ale vzájemná meziatomová přitažlivost. Detekuje se pohyb zkoumacího hrotu při průchodu nad vzorkem. Umí zobrazovat i nevodivé vzorky.
•
Nazývá se někdy také SFM (scanning force microscopy).
Popis metody •
Základem AFM je velmi ostrý hrot, který je upevněn na ohebném nosníku (angl. cantilever, tento termín se používá i v čestině). Hrot je mírně vtlačován do vzorku a následkem působících sil je nosník ohnutý, v souladu s Hookovým zákonem. Během měření se hrot pohybuje po povrchu vzorku v pravidelném rastru (skenuje) tak, že výška druhého konce nosníku je konstantní. Je-li povrch vzorku nerovný, má nosník v různých místech vzorku různou velikost ohnutí a sledováním závislosti ohnutí na poloze na vzorku můžeme sestavit zvětšený obraz vzorku.
•
Předchozí způsob měření však vede k poškození hrotu, pokud by nerovnost vzorku byla příliš velká. Proto se častěji používá režim využívající zpětné vazby, tzv. režim s konstantním ohnutím, ve kterém se v každém bodě rastru porovná současná hodnota ohnutí s přednastavenou hodnotou, a pokud se liší, nosník s hrotem se přiblíží nebo oddálí od vzorku o takovou vzdálenost z, aby se hodnota ohnutí opět shodovala s přednastavenou hodnotou. Místo velikosti ohnutí se pak k sestavení obrazu použijí hodnoty z. Konstantní hodnota ohnutí zároveň znamená, že na vzorek působí konstantní síla. Uvedený režim může zobrazovat i drsnější vzorky, ale je pomalejší (sběr obrázku trvá delší dobu).
•
Oba uvedené režimy, tzv. kontaktní, však mohou vést k poškození vzorku, protože během přesunu z jednoho bodu do druhého působí mezi hrotem a vzorkem velké třecí síly. Proto se používají tzv. bezkontaktní režimy, v nichž není mezi hrotem a vzorkem přímý mechanický kontakt. Hrot a vzorek na sebe působí především skrze van der Waalsovu sílu. Protože tato síla je velmi malá, provozuje se bezkontaktní režim tak, že je nosník rozkmitáván a místo jeho ohnutí se měří velikost amplitudy. Protože velikost amplitudy závisí na vzdálenosti mezi hrotem a vzorkem, lze sledováním změn amplitudy sestavit obraz povrchu vzorku.
Přesnost •
podmíněna přesností udržování polohy hrotu, přesností jeho pohybu a schopností detekce ohnutí.
•
Pro pohybování hrotem se používají výhradně piezoelektrické skenery, které jsou schopny realizovat pohyby menší než desetina nanometru.
•
Aby bylo možno udržet přesnou polohu hrotu, staví se mikroskopy AFM mechanicky velmi pevné a bývají umístěny na antivibračních stolech.
•
Detekce ohnutí nosníku se provádí nejčastěji pomocí laseru. Laserový svazek z laserové diody se nechá dopadat na nosník, od něho se odráží podle zákona odrazu a dopadá na fotodetektor.
•
Změní-li se ohnutí nosníku, změní se i úhel dopadu svazku na nosník a proto svazek dopadne do jiného místa fotodetektoru. Bude-li fotodetektor citlivý na místo dopadu svazku, může se z jeho výstupu určit ohnutí nosníku.
Vlastnosti •
AFM může zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu (vzorek vyžaduje fixaci, nemůže například plavat v roztoku).
•
Ve srovnání s optickou mikroskopií však dosahuje značně většího rozlišení, které je srovnatelné s rozlišením elektronové mikroskopie.
•
AFM však poskytuje trojrozměrný obraz, kdežto elektronová mikroskopie dvojrozměrnou projekci.
•
AFM zpravidla nevyžaduje, aby se vzorek speciálně připravoval (např. pokovením) ani nevyžaduje vysoké vakuum.
•
AFM může dokonce pracovat v kapalném prostředí, což je výhodné především pro studium biologických vzorků, které mohou být při zobrazování ve svém fyziologickém prostředí a lze v některých případech sledovat jejich funkci nebo reakci na změnu prostředí (změna pH, teploty, chemického složení).
•
Nevýhodou AFM je velmi omezený rozsah velikosti obrázku a pomalost snímání. Maximální velikost obrazu bývá řádově stovky mikrometrů a sestavení jednoho obrazu trvá řádově minuty.
•
Dále je v AFM omezen i vertikální rozsah (maximální výška vzorku), který bývá typicky desítky mikrometrů. Problémy způsobuje také blízkost hrotu a vzorku (silná interakce, možnost zachycení hrotu, znečištění hrotu, poškození vzorku) a nenulová šířka hrotu, která vede k deformaci obrazu.
Refraktometr • Slouží k měření indexu lomu • Pomocí lomu světla • Pomocí interference světla
Index lomu •
bezrozměrná fyzikální veličina popisující šíření světla a všeobecně elektromagnetického záření v látkách
•
V nejjednodušším případě – pro průhledné a čiré látky – lze index lomu n považovat za konstantu, vztahující se k celému rozsahu viditelného světla.
•
V tom případě je index lomu vždy větší než 1 a rychlost šíření světla v dané látce v je určena vztahem
•
kde c je rychlost světla ve vakuu. Takto definovaný index lomu se označuje jako absolutní index lomu.
•
Pro přechod mezi z prostředí s indexem lomu n1 do prostředí s indexem lomu n2 se často používá relativní index lomu n21, který je definován jako:
•
Pro přechod vlnění opačným směrem je index lomu
•
Pomocí absolutního indexu lomu lze psát
•
kde v1 je rychlost šíření vln v prvním prostředí (s indexem lomu n1) a v2 je rychlost šíření ve druhém prostředí (s indexem lomu n2).
•
Na rovinném rozhraní dvou látek s různými indexy lomu dochází k lomu světla dle Snellova zákona.
Absolutní index lomu některých látek Látka vakuum vzduch (normální tlak) led voda etanol sklo sůl safír diamant
index lomu 1 1,0003 1,31 1,33 1,36 1,5 až 1,9 1,52 1,77 2,42
Interference světla • vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetání jevů či hmoty. • Nejčastěji se jedná o charakteristickou vlastnost vln. • Při jejich pohybu a prolínání se v určitém bodě vzájemně zesilují, zatímco v jiných bodech vzájemně ruší. • Tyto jevy se zobrazují pomocí interferenčního obrazu (interferenčního obrazce), kde je vidět střídající se projevy zesilování a zeslabování.
Příklad interference rovinných vln.
Příklad kruhových vln.
Spektrální přístroje •
umožňují oddělení světla o určité vlnové délce (tedy určité barvy světla) a následné zkoumání vlastností světla i jeho zdroje.
•
Při zkoumání se využívá lomu, ohybu nebo interference světla.
•
Spektrální přístroje, které jsou vybaveny dalekohledem, a umožňují subjektivní pozorování, se nazývají spektrometry.
•
Přístroje se záznamovým zařízením jsou označovány jako spektrografy.
•
Ke spektrální analýze slouží také různé druhy optických hranolů, či spektroskopů, jejichž konstrukce je podobná spektrometrům.
Totální reflexe na hranolu.
Interferenční přístroje • Interferometry využívají interference světla, a to především k velmi přesnému měření vzdáleností. • Přesné interferometry využívají zdrojů koherentního záření, tzv. laseru. • Interferometry však slouží také např. ke zjišťování koncentrace metanu v dolech apod.
Konstrukce Laseru: 1. Aktivní prostředí 2. Zdroj záření 3. Odrazné zrcadlo 4. Polopropustné zrcadlo 5. Laserový paprsek
Fotometrické přístroje • Fotometrické přístroje slouží ke zjišťování fotometrických veličin (svítivost zdroje, světelný tok, světelnou energii nebo osvětlení), především intenzity světla. • Podle hodnot intenzity dopadajícího, odraženého či prošlého světla lze určit některé vlastnosti zkoumané látky.
