14. Исследование биологических тканей в

ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ.

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроскопе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляризационная микроскопия.

П оляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Таким образом, объект освещают поляризованными лучами и рассматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будет темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изменяют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они окажут на направление плоскости колебаний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляризаторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотропия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на явлении фотоупругости которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит темной. Прикладывая нагрузку, вызывают анизотропию плексигласа, что становится заметным по характерной картине полос и пятен (рис. 13). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или уменьшении нагрузки можно делать выводы о механических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

15. Преломление света. Рефректометр.

При переходе световой волны из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения и длины волны (частота колебаний остается без изменения). Если лучи света при этом падают на границу раздела сред под некоторым углом , то направление их во второй среде изменяется и с перпендикуляром в точке падения составляет уже иной угол . Это явление называется преломлением, или рефракцией, света. (При перпендикулярном падении лучей на границу раздела сред изменения направления света не происходит.)

Н аправление преломленной волны можно установить на основании принципа Гюйгенса. Пусть АВ (рис. 14) есть фронт плоской монохроматической волны, подошедшей к границе MN двух сред в некоторый момент времени . Скорость распространения волн в первой и второй средах обозначим соответственно и , причем . Определим положение фронта волны во второй среде в момент времени , который выберем таким образом, чтобы за время фронт волны в первой среде дошел от точки В до точки С на границе сред. Искомый фронт, волны можно найти как огибающую вторичных волн, распространившихся за время из точек А и В.

Вторичная волна из точки А за время пройдет во второй среде расстояние AD . Вторичная волна из точки В в первой среде за это время пройдет расстояние ВС . Новый фронт волны будет DC. В точках А и С построим падающий и преломленный лучи и восставим перпендикуляры к поверхности раздела сред. равен углу падения , a – углу преломления . Из . Из . Разделив первое равенство на второе и сократив левую часть на АС, а правую на , получим

Отношение скорости с распространения света в вакууме к скорости распространения его в данной среде ( ) называется абсолютным показателем, преломления данной среды.

При переходе света из одной среды в другую учитывается относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой, равный отношению абсолютных показателей этих сред:

Таким образом, относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах. Отсюда следует закон преломления

,

т. е. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная показателю преломления второй среды относительно первой.

Обычно оптические свойства вещества характеризуют показателем преломления п относительно воздуха, который мало отличается от абсолютного показателя преломления. Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления (рис. 15, а), то угол преломления меньше угла падения . При увеличении угла падения до 90° (лучи 3–3') свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла , называемого предельным углом преломления. Этот угол можно определить из условия

; но , следовательно, .

Определенная часть падающего света при этом отражается от границы раздела сред, но этим мы пренебрегаем.

Е сли свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления (рис. 15, б), то угол преломления больше угла падения (луч 1–1’). При этом свет преломляется (переходит во вторую среду) только в пределах угла падения , которому соответствует угол преломления (луч 2–2'). Часть падающего света при этом отражается. Если свет падает под углом больше предельного, то он полностью отражается от границы сред (луч 3–3'). Это явление называется полным внутренним отражением, а угол падения – предельным углом полного внутреннего отражения. Этот угол можно найти из условия

; .

Для двух данных сред предельный угол преломления равен предельному углу полного внутреннего отражения: .

Полное внутреннее отражение используется при устройстве отражательных призм, применяемых в оптических приборах для поворота на 90° лучей, образующих изображение, или для получения обратного (перевернутого) изображения. Во всех этих случаях лучи падают на соответствующую грань призмы под углом, большим предельного.

Полное внутреннее отражение используется также при устройстве гибких световодов, в которых свет, претерпевая многократное внутреннее отражение от стенок световода, может передаваться вдоль криволинейной траектории. Гибким световодом может быть, например, струя воды в воздухе. В настоящее время этот принцип используется при устройстве приборов с волоконной оптикой. В них гибкий световод состоит из пучка тонких стеклянных нитей, каждая из которых покрыта оболочкой из вещества с меньшим показателем преломления. Такой световод может переносить свет от источника или, например, изображение предмета на значительные расстояния как по прямолинейному, так и криволинейному пути.

П риборы для определения показателя преломления веществ называются рефрактометрами. В медицине рефрактометры для жидкостей применяются для определения концентрации веществ в растворе (например, содержания белка в сыворотке крови и т. п.), что основано на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

Рефрактометр РЛ-2 основан на определении предельного угла преломления света в исследуемой жидкости, который, как указано выше, имеет прямую связь с показателем преломления. Основу оптики рефрактометра РЛ-2 составляют две прямоугольные призмы (рис. 16), между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости.

Верхняя призма О – осветительная, ее гипотенузная грань АБ – матовая. Нижняя призма И – измерительная. Свет от источника зеркалом З направляется на боковую грань верхней призмы. При выходе через ее матовую грань АБ свет рассеивается. Лучи рассеянного света проходят через слой жидкости и входят в измерительную призму И по всевозможным направлениям, включая и угол падения, близкий к 90°. Преломляясь на грани ГД, лучи внутри призмы И проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла. На грани ДЕ эти лучи преломляются и, выходя из грани под некоторым углом , проходят в зрительную трубу. Объектив зрительной трубы Т фокусирует параллельные лучи, идущие от различных точек грани ДЕ под разными углами. Поэтому, если ось зрительной трубы установлена по направлению лучей, ограничивающих предельный угол преломления, то поле зрения в фокальной плоскости объектива разделится на светлую и темную половины.

Обратно, устанавливая трубу по границе светотени, можно по ее положению определить границу предельного угла . Обычно при градуировке прибора сразу устанавливают связь между углом наклона зрительной трубы и показателем преломления жидкости, значения которого наносятся на шкалу; деления шкалы одновременно наблюдаются в поле зрения трубы.

О птическая система рефрактометра (рис. 17) содержит две вспомогательные призмы. Призма К компенсирует дисперсию белого света в призмах О и И так, что результаты измерения соответствуют желтой линии паров натрия, призма П позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно плоскости расположения призм О и И, что делает наблюдение более удобным; Об – объектив, Ок – окуляр зрительной трубы. Перед окуляром расположена пластинка с визирным штрихом и шкала Ш показателя преломления.

17