Экзамен

Дифракционное ограничение

Дифракция света налагает предел на возможность различения деталей объектов при их наблюдении в микроскоп. Так как свет при наличии препятствий распространяется не прямолинейно, а как бы огибает их (в данном случае, рассматриваемые объекты), то изображения мелких деталей объектов получаются размытыми. Эрнст Аббе предложил дифракционную теорию разрешающей способности микроскопа (1870 – 1880 гг.).

Рассматриваемый предмет моделируется дифракционной решёткой с периодом d. Тогда минимальный размер детали предмета, которую мы должны различить, как раз и будет периодом решетки. На решетке происходит дифракция света, но диаметр объектива микроскопа ограничен, и при больших углах дифракции не весь свет, прошедший через решетку, попадает в объектив. Реально свет от предмета распространяется к объективу в некотором конусе. Получаемое изображение тем ближе к оригиналу, чем больше максимумов участвует в формировании изображения.

Свет от предмета распространяется к объективу от конденсора в виде конуса, который характеризуется угловой апертурой. Угловая апертура — угол θ, под которым виден объектив из центра рассматриваемого предмета, то есть угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему.

Критерий Аббе

Согласно теории Аббе, для получения изображения решетки, пусть даже самого нечёткого, в объектив должны попасть лучи любых двух порядков дифракционной картины, например, лучи, образующие центральный и, по крайней мере, первый дифракционный максимум. Отсюда, с учётом того, что в микроскопе предмет освещается коническим, а не параллельным пучком:

где λ0 — длина световой волны (от 400 до 750 нм) Таким образом, предел разрешения микроскопа:

Способ увеличения предела разрешения микроскопа — увеличение апертурного угла. Апертурный угол зависит от размеров объектива и расстояния от предмета до объектива. Однако расстояние от предмета до линзы нельзя изменять как угодно, оно определённо для каждого объектива и произвольно приближать предмет нельзя. В современных микроскопах апертурный угол достигает 140◦ (соответственно, θ/2 = 70◦ и sin(θ/2) = 0,94). Обратите внимание на то, что окуляр совершенно не влияет на разрешающую способность микроскопа, он только создает увеличенное изображение образа предмета в окуляре.

Если между объективом и предметом поместить не воздух, а оптически более плотную среду, то длина волны уменьшается в n раз (n — показатель преломления среды):

С учётом этого, предел разрешения оптического микроскопа:

Предел разрешения можно ещё повысить за счёт уменьшения используемой длины волны λ0. Использовать излучение ультрафиолетового диапазона (УФ): от 400 до

10 нм → ультрафиолетовая микроскопия. УФ микроскопия даёт высококонтрастные изображения за счёт сильного поглощения УФ излучения рядом частиц. Регистрация изображения фотографическая или люминесцентная. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. УФ микроскопия применяется для исследования внутриклеточных структур.

Предел разрешения можно ещё повысить за счёт ещё большего уменьшения используемой длины волны λ0. Использовать излучение рентгеновского диапазона: от 10 до 0,01 нм → рентгеновская микроскопия. Разрешающая способность — до 5 нм. Регистрация изображения фотографическая или люминесцентная. Трудности разработки: показатель преломления рентгеновского излучения для вещества практически равен единице, проблема решается фокусировкой с помощью электрических или магнитных полей.

4. Фотометрия. Сила света, световой поток, освещенность от точечного источника. Спектральная световая эффективность.

Фотометрия – раздел оптики, изучающий энергетические характеристики светового излучения и его источников с точки зрения воздействия на человеческий глаз.

Интенсивность света (плотность потока энергии) – энергия, приносимая светом за единицу времени на единичную площадку, ориентированную нормально к световому лучу.

Глаз обладает избирательной чувствительностью к воздействию света в зависимости от частоты (длины волны) света. Наибольшая чувствительность достигается при λ0 = 555 нм (зелёный свет, приходится на максимум излучения Солнца).

Относительная спектральная чувствительность:

I(λ0) и I(λ) — интенсивности света, вызывающие одинаковые зрительные ощущения (одинаковая резкость видимости деталей изображения, не зависит от цвета осветителей).

Световой поток

Световой поток Ф — интенсивность света, оцениваемая по его воздействию на нормальный глаз.

Единица измерения в СИ — люмен (лм) Для

монохроматического света:

P(λ) — мощность излучения источника в ваттах (Вт) α = 683 лм/Вт — фотометрический эквивалент излучения

Для немонохроматического света:

Единица измерения p(λ) — Вт/м.

Часть пространства, ограниченная некоторой конической поверхностью, называется

телесным углом.

Единица измерения — стерадиан (ср);

Поверхность сферы образует телесный угол 4π ср.

Сила света — световой поток излучения точечного источника в пределах единичного телесного угла.

Единица измерения — кандел (кд).

1 кд = 1 лм/ср

1 кд = 1 лм/ср

Освещённостью E поверхности называется световой поток, приходящийся на единицу её площади:

Единица измерения — люкс (лк), 1 лк = 1 лм/м2

Освещённость площадки, создаваемая точечным источником:

Спектральная световая эффективность монохроматического (спектральная чувствительность)– физическая величина, характеризующая чувствительность человеческого глаза к воздействию на него монохроматического света. Обозначается К(λ), в СИ имеет размерность лм/Вт. Устаревшее название – видность.

( ) = ( ), где = 683 лмВт − фотометический эквивалент излучения

( ) = ( 0) – относительная спектральная световая эффективность

( )

монохроматического излучения

Из полученной формулы следует, что:

Характер спектральной зависимости световой эффективности монохроматического излучения такой же, как и у спектральной зависимости относительной чувствительности человеческого глаза V(λ). В частности, положения максимумов обеих зависимостей совпадают и находятся на длине волны 555 нм.

Максимально возможное значение световой эффективности имеет излучение с длиной волны 555 нм, для него К(λ) равна 683 лм/Вт.

Эффект Пуркине (1823) — изменение воспринимаемой человеческим глазом окраски предметов ввиду различия кривых видности дневного и сумеречного зрения. При дневном освещении: синие васильки и красные маки. При сумеречном освещении: синий цвет васильков воспринимается как более светлый. При сумеречном освещении: красный цвет маков воспринимается как почти чёрный.

5. Свет как электромагнитная волна. Свойства и характеристики световой волны. Энергия и импульс световой волны. Интенсивность.

Свет — это электромагнитная волна, которая представляет собой колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в

пространстве.

Переменный ток в проводнике порождает переменное вихревое магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны к оси проводника. За счет

электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, вызывающее протекание вихревого тока Фуко.

Вихревые поля - это поля характеризуются тем, что их силовые линии замкнуты и образуют вихри (замкнутые петли), в отличие от потенциальных полей, силовые линии которых начинаются и заканчиваются на источниках (например, зарядах).

Электрический ток Фуко (или вихревые токи) — это замкнутые электрические токи,

которые возникают в проводящих материалах (например, металлах) под действием изменяющегося магнитного поля

Поток электрической индукции через замкнутую поверхность S пропорционален величине свободного заряда, находящегося в объеме V, который окружает поверхность S.

Поток магнитной индукции через замнкутую поверхность равен нулю (магнитные заряды не сещуствуют)

Электрический ток и изменение эл. Индукции порождают вихревое магнитное поле

Уравнение ЭМВ: