2. Поглинання світла.

Світлова хвиля, проходячи через речовину, поступово затухає. Цей процес супроводжується поглинанням енергії. Чим більше атомів і молекул зустрінеться на шляху світлового потоку, тим більше світло буде поглинатися. Певна частина енергії хвилі переходить в інші види енергії. Відбувається підвищення інтенсив­ності теплового руху атомів і молекул (тепловий ефект), а також процеси іонізації і збудження атомів, фотохімічні реакції тощо.

Перехід енергії світлової хвилі у інші види внутрішньої енергії речовини нази­вають поглинанням світла.

Поглинання світла відбувається за законами Бугера:

= ( 7.8)

Закон Бугера показує, що інтенсивність світла при проходженні через середовище зменшується зі збільшенням товщини шару речовини за законом експоненти. З (7.8) випливає і інше формулювання за­кону Бугера: в шарах однорідного середовища однакової товщини поглинається одна і та ж частина енергії.

Фізичний зміст монохроматичного показника поглинання такий: він чисельно до­рівнює оберненій товщині шару , в якому інтенсивність енергії зменшується в е разів.

Бер встановив, що для забарвлених прозорих розчинів монохроматичний по­казник поглинання пропорційний концентрації речовини, тобто:

= (7.9)

де - показник поглинання світла; с - концентрація.

Підставивши (7.9) у (7.8), отримаємо закон Бугера-Бера:

= (7.10)

Відношення = r називають коефіцієнтом пропускання чи прозорістю роз­чину, а величину D= lg = -lgr - оптичною густиною. Оптична густина, рівна 1, відповідає пропусканню 0,1 чи 10 %. Оптичній густині D = 2 відповідає 1 % пропускання.

Враховуючи, що 1n х = 2,3lg х , з (7.10) отримуємо

D = = (7.11)

де = .

Оптична густина розчину пропорційна концентрації речовини в розчині і тов­щині шару, в якому відбувається поглинання.

На законі Бугера-Бера ґрунтується один з методів визначення концентрації речовини в забарвлених розчинах.

Якщо два розчини однієї речовини з концентраціями с₁ і с₂ товщинами шарів відповідно d₁ d₂ поглинають світло однаково, то їхні оптичні густини рівні (D₁=D₂).

З формули (7.10) випливає, що

c₁d₁ =c₂d₂ (7/12)

На цьому співвідношенні грунтується концентраційна колориметрія. Для виз­начення концентрації розчину використовують фотоелектрон-колориметр, у якому один фотоелемент освітлюють променями, що пройшли через розчин, а інший -променями, які пройшли через розчинник, і за різницею двох фотострумів визнача­ють концентрацію розчину.

Залежність оптичної густини від довжини хвилі називають спектром погли­нання. Графік цієї залежності являє собою криву з максимумами в певних інтерва­лах довжин хвиль, у яких відбувається сильне поглинання. У білків максимум по­глинання припадає на довжину хвилі 280 нм, у нуклеїнових кислот - 260 нм, хло­рофіл А має два максимуми поглинання в інтервалах 400-440 нм і 600-630 нм, тобто майже у всьому діапазоні видимого світла, крім зеленого. Тому листя рос­лин має зелене забарвлення.

Пристрій, призначений для реєстрації спектрів поглинання, називається спект­рофотометром.

Фізичні явища, що супроводжуються поглинанням світла: безвипромінювальний перехід, фотохімічна реакція, обумовлена збудженням молекули фотонами.

Люмінесценція - перехід електронів в основний стан в молекулі з випроміню­ванням фотона (фотонів).

3.Інтерференція світла

Явище інтерференції полягає в накладанні когерентних хвиль, в результаті якого утворюється стійка картина підсилення або ослаблення результуючих коливань.

Інтерференцію світла використовують в спеціальних приладах – інтерферометрах для визначення з високою ступінню точності довжин хвиль, показників заломлення речовин, визначення якості оптичних поверхонь, концентрації сухих речовин та товщини прозорих мікроб єктів.

4.Дифракція світла

Явище дифракції полягає у відхиленні світла від прямолінійного розповсюдження при зустрічі з перешкодами, розміри яких сумірні з довжиною світлових хвиль. Дифракцію можна спостерігати за допомогою дифракційної решітки. Вона являє собою скляну або відполіровану пластинку, на яку наносять паралельні штрихи, непрозорі для світла. За допомогою формули дифракційної решітки

= (7.13)

де - період дифракційної решітки,

к –порядок дифракційного спектра,

- довжина хвилі,

- кут. Під яким спостерігається дифракційний спектр.

Формула (7.13) може бути використана не тільки для визначення довжини хвилі, але і для розв'язання оберненої задачі – знаходження періоду дифракційної решітки по відомій довжині хвилі. Таким чином можна виміряти параметри кристалічної решітки за допомогою дифракції рентгенівських променів ( рентгеноструктурний аналіз). На рис 3.8 показані рентгенограми білків. Цим методом Дж.Уотсон і Ф.Крик встановили структуру ДНК.

Рис 3.7 рис 19.22 Ремизов

Голографія –метод запису хвильового поля, основою якого є інтерференція та дифракція хвиль.

Медико-біологічне застосування голографії:

1. Інтроскопія – візуальне спостереження об'єктів, явищ та процесів в оптично прозорих тілах і середовищах,

2. Голографічний мікроскоп.

§ 7.3 Лінзи

Прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями, одна з яких може бути плоскою, називається лінзою. У збиральних лінзах, на відміну від розсіювальних, товщина лінзи посередині більша, ніж біля країв.

Точка О (рис. 3.8), що знаходиться посередині лінзи, називається оптичним центром лінзи. Пряму лінію, що проходить через центри кривизни обох поверхонь лінзи, називають головною оптичною віссю лінзи, будь-яку іншу лінію, що прохо­дить через оптичний центр лінзи - побічною віссю.

Промені, які йдуть паралельно головній оптичній осі лінзи, після її проходжен­ня збираються в одній точці (на оптичній осі), яка називається фокусом лінзи. У випадку розсіювальної лінзи в одній точці (на оптичній осі) перетинаються лінії, які є продовженням заломлених променів; цю точку називають уявним фокусом. Відстань між фокусом лінзи і її оптичним центром називається фокусною відстан­ню. Площина, що проходить через фокус лінзи і перпендикулярна головній оптичній осі, називається фокальною площиною. Величина, обернена фокусній відстані, називається оптичною силою лінзи: D= . Оптична сила лінзи вимірюється в діоптріях. Діоптрія дорівнює оптичній силі лінзи з фокусною відстанню в один метр.

В

Рисунок 3.8

Для побудови зображення потрібно скористатися щонайменше двома з трьох променів ( рис 3.8) .

1. Промінь 1, паралельний оптичній осі; після заломлення він проходить через фокус.

2. Промінь 2, що проходить через центр лінзи; цей промінь не змінює свого напрямку.

3. Фокальний промінь 3; після заломлення в лінзі він паралельний оптичній осі. На рис. 3.9 показано хід променів після проходження розсіювальної лінзи.

Рисунок 3.9

1. З подібності трикутників FOC FA B', а також А'В'О', враховуючи , що АИ=ОС, випливає = ; = , звідки Fd +fF =df. Розділтвши цю рівність на dfF, отримуємо формулу лінзи:

+ = (7.15)

де d – відстань від предмета до лінзи, f – відстань від лінзи до зображення.

Для розсіювальної лінзи значення фокусної відстані F в розрахунках треба брати із знаком "мінус" і, оскільки отримаємо уявне зображення предмета, відстань до зображення завжди береться із знаком "мінус".

Фокусна відстань лінзи залежить від радіусів її кривизни та відносного показ­ника заломлення. У випадку тонких лінз

= ( n-1) ( + ) ( 7.16)

де R₂ - радіуси кривизни поверхонь лінзи, п - показник заломлення мате­ріалу. Відзначимо, що радіуси кривизни випуклих поверхонь вважаємо додатними, а радіуси кривизни увігнутих поверхонь - від'ємними.