1.2.1.Закономерности прохождения света через границу двух сред с различными коэффициентами преломления n
При прохождении границ двух сред с различными показателями преломления (или оптическими плотностями) волна частично отражается от границы сред и возвращается в первую среду, а частично проходит во вторую среду.
Фазовая
скорость волны в первой среде
С/m;
а во второй -
С/
.
Закон отражения
Направления
падающей волны и волны отражённой от
границы раздела связаны
между
собой соотношением
.
Направление падающей и прошедшей во вторую среду волн связаны соотношением
(1.46)
Определение:
коэффициентом отражения
называется отношение потока излучения,
отражённого данным телом, к потоку
излучения, упавшему на него.
Для коэффициента отражения двух границ двух прозрачных сред используя усредненные во времени значения модуля вектора Пойтинга (энергии) в падающей и отражённой волны можно записать:
,
(1.47)
где
- осредненное значение.
Определение:
коэффициент пропускания
,
называется, отношение потока излучения,
прошедшего сквозь тело (среду), к падающему
на него потоку излучения.
(1.48)
При
нормальном падении на основании формул
Френеля, связывающих амплитуду отраженной
и преломленной
волн со свойствами среды:
(1.49)
,
(1.50)
где А – амплитуда падающей волны, можно получить
(1.51)
(1.52)
2. Классификация оптических измерителей
В зависимости от базового физического или физико-химического эффекта все оптические анализаторы, построенные на основе приведенных методов и с использованием оптоэлектронных преобразователей, можно разделить на несколько больших групп, как это показано на рис.2.1.
Наиболее обширную первую группу оптических анализаторов составляют устройства, в которых использованы методы на основе измерения параметров интегрального или избирательно-поглощенного света (в некоторых случаях рассеянного и пропущенного светового потока) после его взаимодействия с исследуемой средой. К этой группе анализаторов относятся такие оптические измерительные устройства, как абсорбционные, спектрофотометрические и колориметрические анализаторы, а также анализаторы на основе измерения параметров рассеянного светового потока (нефелометры), светового потока, прошедшего через исследуемую среду, и на основе методов микрофотометрии.
Методы оптических исследований, использованные в анализаторах, входящих в первую группу, частично уже рассмотрены. Остановимся подробнее на таком методе, как абсорбционная спектрофотометрия.
Роль абсорбционной спектрофотометрии в биологии и медицине особенно велика, так как этот метод наиболее особенностям. Во многих областях биологических исследований важную роль играет абсорбционная спектрофотометрия. Применяемая техника исследования и экспериментальное оборудование совершенствуются, происходит их специализация, повышается точность измерений, расширяется круг изучаемых явлений. Используя специальную аппаратуру, можно получать такие данные о биологических объектах, которые совершенно недоступны для исследователя, применяющего другие методики. Для многих областей естествознания большое значение имеет изучение электромагнитных спектров. Например, линейчатые атомные спектры испускания сыграли решающую роль в становлении квантовой механики – важного раздела современной физики. Не меньшую роль в современной физиологии, биохимии и биофизике играют спектры поглощения. С помощью спектроскопии можно получить гораздо больше сведений о биологических объектах, чем с помощью любых химических методов, которые указывают лишь общий класс, к которому относится данное соединение. В биологических системах имеется большое количество сходных молекул, например гемопротеины, которые трудно разделить химическими методами. Однако каждый из гемопротеинов обладает характерным спектром поглощения, что позволяет не только его идентифицировать, но и измерить количество этого соединения, присутствующего в экспериментальном сосуде или внутри живой клетки.
Методы абсорбционной спектроскопии применимы не только для соединений, обладающих характерным спектром поглощения, но и для многих других веществ, которые при реакциях с другими соединениями дают вещества
с характерной окраской. Например, при измерении уровня сахара в крови проводится реакция, в результате которой окрашивается получающийся продукт. Количество этого продукта определяется спектральными методами.
Абсорбционная спектроскопия не ограничена видимой областью спектра. Глаз человека воспринимает электромагнитную энергию только в пределах одной октавы, однако существуют приемники, которые могут измерять электромагнитную энергию, начиная от очень низких и кончая весьма высокими частотами. Разделение по областям частот довольно произвольно, каких-либо резких границ не существует. Для каждой области частот требуются различные типы излучателей и приемников. Две любые соседние области частично перекрываются, и там применимы методы, свойственные обеим областям. Этот факт подчеркивает непрерывность электромагнитного спектра; все рассматриваемые типы излучения распространяются в виде возмущений электрического и магнитного полей. В плоской волне направления этих полей перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.
Поглощение или испускание электромагнитной энергии, если оно характерным образом изменяется в зависимости от длины волны излучения, может быть использовано как для изучения природы химических веществ, так и для определения их количества. Вообще говоря, измерения в различных областях спектра дают различную информацию. Типичные полосы поглощения многих молекул, представляющих интерес для биологов, лежат в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Основное внимание уделяют методам измерения именно в этих областях спектра.
Рис.2.1. Классификационная схема ОИУ
Вторая группа анализаторов построена на основе методов люминесцентной фотометрии. Особенность использованного в них принципа измерения,
в том, что он основан, как уже указывалось, на свойстве молекул ряда веществ испускать свет при определенных условиях (ЖС – в очень маленьких количествах).
Третья группа ОИУ реализуется на основе зависимости параметров излучения от оптических свойств и состава ЖС. К этой группе относятся: рефрактометрические ОИУ (на зависимости коэффициента преломления от состава и свойств ЖС), поляриметрические ОИУ (на зависимости углового положения плоскости поляризации оптически активных ИЖС от их состава), ОИУ на основе оптического кругового дихроизма, т.е. способности оптически активных веществ по-разному поглощать лево– и правоциркулярный поляризованный свет, ОИУ на основе магнитооптического вращения (эффект Керра), термомагнитной поляризации (термомагнитные газоанализаторы).
Большую группу ОИУ на основе оптоэлектронных преобразователей представляют измерительные устройства спектрального анализа, в которых для изучения состава ЖС и определения концентрации веществ, содержащихся в жидкостях и газах, используется их оптический спектр (или их спектральное разложение).
Спектральные анализаторы принято условно (на основании области преимущественного их применения и в соответствии с методическими критериями) разделять на группы:
- атомно-эмиссионные спектрометры, регистрирующие спектр, излучаемый светящимися парами вещества (отсюда также анализаторы на основе плазменной фотометрии);
- абсорбционные спектральные анализаторы (абсорбционная спектрофотометрия);
- анализаторы на основе спектрального анализа по спектрам комбинационного рассеяния света (эффекты Рамана-Ландсберга-Мандельштама);
- анализаторы, реализованные по методу витальной (прижизненной) спектрофотометрии с использованием волоконной техники (приобретают большой интерес в последнее время, поскольку обеспечивается регистрация физиологических исследований в динамике без нарушения целостности живого организма).
К спектральным анализаторам состава и свойств ЖС можно отнести устройства на основе регистрации оптических спектров действия.
При определении спектров действия спектральный подход практически осуществляется по линии пробоподготовки: биообъект подвергается световому облучению различных длин волн, при этом регистрируются его физические параметры (например, электропроводимость, потенциал, парциальное давление кислорода в пробе и др.). Такие анализаторы пока не применяются в широкой практике аналитических исследований. Среди перспективных направлений разработки анализаторов на основе оптоэлектронных преобразователей можно выделить работы в области фотобиологических процессов, связанных с сумеречным зрением, фотодинамическим действием света (гемолиз эритроцитов), инактивацией ферментов, вирусов и т.д.
Широкие перспективы при аналитических исследованиях ЖС имеют оптические АИУ, использующие двойные физические эффекты, оптическую голографию, микроволновую спектроскопию, лазерную микроскопию и др. Арсенал методов и физико-химических эффектов, применяемых для построения оптических АИУ, постоянно расширяется, совершенствуются известные АИУ. Физическую реализацию в последнее время получают новые оптические эффекты, которые будут изложены далее при подробном рассмотрении представленных групп оптических анализаторов.