XREFF.RU


Карагандинский государственный медицинский университет Кафедра медицинской биофизики и информатики



Если Вам понравился сайт нажмите на кнопку выше
Карагандинский государственный медицинский университет Кафедра медицинской биофизики и информатики

Карагандинский государственный медицинский университет Кафедра медицинской биофизики и информатики


Карагандинский государственный медицинский университет

Кафедра медицинской биофизики и информатики












Методические рекомендации для занятий


Тема: Поляризация света биосистемами.

Специальность: 051301«Общая медицина»

Дисциплина: OODO12 МВ 1112 медицинская биофизика

Курс: I

Составитель: преподаватель Балмагамбетова Г.Г., Коршуков И.В.

























Караганда 2013



Обсуждены и утверждены на заседании кафедры

Протокол № __ от «__» ______200_

зав. кафедрой _______________ Койчубеков Б.К.


Тема: «Поляризация света биосистемами».

Цель занятия: Получить представление о физических основах поляризации света и возможностях применения метода при изучении биологических объектов.

Задачи обучения:

В результате изучения темы студент будет знать:

Основные вопросы темы:


Методы обучения и преподавания:

Опрос по основным вопросам темы.


Литература

  1. Н.М. Ливенцев «Курс физики» М. Высшая школа 1978. том 1 с.242-248.

  2. Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика.», Высшая школа, 2004. стр. 365-375.

  3. Рубин А.Е. «Биофизика.» Т1, М.: Университет «Книжный дом» 2000, стр. 367-371

Дополнительная

  1. «Биофизическая химия» том 2. Ч.Р. Кантор, П.Р. Шиммел М. МИР 1984, стр.63-84

  2. «Физическая биохимия» Д. Фрайфелдер М. МИР 1980. стр.450-479.


Контроль: контрольные вопросы по теме занятия

  1. Свет как электромагнитная волна.

  2. Поляризованный свет, плоскость поляризации.

  3. Поляризация света при двойном лучепреломлении.

  4. Поляризаторы. Конструкция, принцип работы.

  5. Закон Малюса.

  6. Поляриметрия. Удельное вращение, определение концентрации оптически активных веществ.

  7. Сахариметр. Устройство, принцип работы.



Свет естественный и поляризованный.


В поперечной волне (в механической - частиц вещества, а в электромагнитной - векторов напряженности поля) колебания могут происходить в любых направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Если направления колебаний при этом беспорядочно меняются, но амплитуды их во всех направлениях одинаковы, то такая волна называется естественной.

Вектор Е напряженности электрической составляющей поля называют световым вектором волны, а плоскость его колебаний - плоскостью колебаний волны.

Естественный свет - это совокупность электромагнитных волн со всевозможными равновероятными направлениями световых векторов (Е), перпендикулярных направлению распространению света.

Рис. 1(а) показывает графическое изображение луча естественного света.

Если колебания происходят только в одной постоянной плоскости (рис. 1, в), то такая волна называется линейно поляризованной (слово «линейно» может пропускаться). Если колебания происходят в различных плоскостях, но в определенных плоскостях амплитуды колебаний больше, чем в других (рис. 1, б), то такая волна называется частично поляризованной.

Рисунок 1. Виды волн по степени поляризации: а - естественная (неполяризованная), б - частично поляризованная, в - линейно поляризованная (колебания происходят в одной плоскости).

Естественный свет представляет собой совокупность огромного числа единичных электромагнитных волн, испущенных различными атомами в различные моменты времени в различных плоскостях.

Можно считать, что в единичном акте излучения электрон в атоме испускает плоскополяризованную световую волну, т. е. волну, в которой колебания светового вектора происходят в одной плоскости. Поскольку один акт излучения продолжается в течение ~10-8сек, при этом образуется группа волн протяженностью около 3 м. Затем атом излучает новую группу волн, направление и фаза светового вектора которого не связаны с предыдущей группой.

Световая волна, излучаемая телом в целом, образуется в результате сложения волн, излучаемых множеством атомов с различной и беспорядочно меняющейся во времени ориентировкой световых векторов. Соответственно меняется и направление светового вектора результирующей волны. При этом все направления для светового вектора равноценны, т. е. волна является естественной, или неполяризованной. Все естественные источники света излучают неполяризованный свет.

В естественных условиях могут встречаться все виды волн. Искусственную поляризацию волны можно осуществить, пропуская ее через особое устройство (зависящее от природы волны), называемое поляризатором волны.

Поляризатор – устройство для получения полностью или (реже) частично поляризованного света.

Рассмотрим опыт с механическим шнуром - механическим аналогом оптического явления искусственной поляризации естественного света (Рис.2). Если в начальной точке шнура возбуждать колебания в различных направлениях, то после щели, образованной двумя параллельными плоскостями, они будут происходить только в плоскости, совпадающей с плоскостью щели. То есть щель служит поляризатором для волн на упругом шнуре.

Если щель повернуть на некоторый угол вокруг оси, совпадающей с направлением шнура, то на соответствующий угол повернется и плоскость колебаний, щель поляризует волну в своей плоскости.

Рисунок 2. Прохождение механической поперечной волны через щели.

Поставим на пути поляризованной волны вторую щель. Если плоскости щелей совпадают (рис. 2, а), то колебания будут проходить через вторую щель без изменения амплитуды.

Если вторую щель повернуть на некоторый угол а, то соответственно изменится и положение плоскости, в которой происходят колебания, причем как мгновенные значения смещения, так и амплитуда А колебаний уменьшатся (рис. 2, б) по соотношению А=А0cos , где А0 - амплитуда колебания перед щелью.

При повороте второй щели на углы от 0 до 90° амплитуда колебаний, прошедших через щель, изменяется от максимальной величины до нуля (рис. 2, в), Поэтому, вращая вторую щель вокруг оси, совпадающей с направлением распространения волны, можно по изменению амплитуды колебаний определить положение в пространстве плоскости колебания поляризованной волны. В связи с этим вторая щель выполняет роль анализатора волны.

Анализатор это поляризатор, используемый для определения степени и плоскости поляризации.


Прохождение света через поляризатор. Закон Малюса.


Процесс превращения естественного света в поляризованный может быть осуществлен посредством специальных оптических устройств – поляризаторов.

Обнаружить наличие поляризации света и определить ее степень поляризации можно с помощью анализатора.

Если на пути луча поляризованного света поставить анализатор и поворачивать его вокруг луча, то интенсивность (I) света будет меняться от некоторого максимального значения до нуля. Измеряя интенсивность света, прошедшего через анализатор, Э.Л.Малюс установил закон (закон Малюсa) IА = IПcos2 .

Анализатор устроен подобно поляризатору, но приспособлен для вращения вокруг продольной оси системы. Если плоскости поляризатора П и анализатора А совпадают, то свет полностью проходит через анализатор и образует на экране Э светлое пятно (рис. 3, а; поляризатор П и анализатор А - поляроидные пленки, плоскости колебаний на которых обозначены стрелками).

При повороте анализатора яркость пятна на экране убывает. Убывание интенсивности I света, прошедшего через анализатор, происходит по соотношению (закон Малюсa) IА = IПcos2, где IП и IА - интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор соответственно, и - угол поворота плоскости анализатора (рис. 3, б). При взаимно перпендикулярном расположении плоскостей поляризатора и анализатора ( = 900) свет полностью гасится (рис. 3, в) анализатором. Таким образом, за один полный оборот (на 360°) анализатора экран дважды полностью освещается и дважды полностью затемняется.

Рисунок 3. Варианты взаиморасположения поляризатора и анализатора и интенсивность прошедшего света иллюстрируют закон Малюса.


Поляризации света. Методы поляризации.


1.Поляризация при отражении и преломлении.

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред (например, от стекла). Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 4 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 4 они изображены двусторонними стрелками).

Рисунок 4. Частичная поляризация при отражении и преломлении.




Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна (рис. 5). Этот угол называется углом Бpюстеpа.



Рисунок 5. Плоскополяризованный отраженный луч при угле падения равном углу Брюстера.


Угол Брюстера определяется из условия

,

где n = n1/n2 – показатель преломления второй среды относительно первой.

Степень поляризации преломленногосвета может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, например, для стекла (п=1,53) степень поляриза­ции преломленного луча составляет »15%, то после преломления на 8—10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой.Стопа может служить для анализа поляризованного света как при его отражении, так и при его преломлении.

2.Поляризация при двойном лучепреломлении.


При преломлении светового луча на границе раздела с некоторыми анизотропными средами наблюдается явление двойного лучепреломления - преломленный луч раздваивается. При этом оба луча оказываются полностью поляризованы.

Для многих кристаллов характерна анизотропия, т.е. различие физических свойств, в том числе и оптических, по определенным направлениям в кристалле. Это связано с асимметрией их решеток.

Двойное лучепреломление – раздвоение светового луча при прохождении через некоторые анизотропные среды, обусловленное зависимостью показателя преломления света от его поляризации и направления распространения.

Рисунок 6. Схема двулучепреломления (а) и проявление этого феномена (б).


Явление двойного лучепреломления заключается в том, что узкий световой пучок (АБ на рис. 6,а), падающий на поверхность кристалла, разделяется на два пучка (БД и БЕ на рис. 6,а), проходящие сквозь кристалл по несколько различным направлениям и по интенсивности каждый равный половине интенсивности падающего пучка. Если сквозь такой кристалл смотреть на предмет, то его контуры будут наблюдаться сдвоенными (рис. 6, б).

С точки зрения принципа Гюйгенса двойное лучепреломление объясняется тем, что в анизотропном кристалле при падении световой волны в каждой точке его поверхности возбуждаются одновременно две элементарные волны (рис. 7): одна, как обычно, - сферическая, а вторая - эллипсоидальная. В связи с этим в кристалле образуются две результирующие волны, называемые обыкновенной о и необыкновенной е, имеющие различные фазовые скорости и направления распространения в кристалле (на рис. 4: АВ - фронт падающей плоской волны, MN - оптическая ось, относительно которой ориентирована эллипсоидальная элементарная волна, DC - фронт - обыкновенной и FC-необыкновенной волны в кристалле). Обыкновенный луч подчиняется законам преломления, для необыкновенного луча эти законы не выполняются.

Рисунок 7. Распространение вторичных волн от каждой точки анизотропного объекта через который проходит луч света приводящее к двулучепреломлению.


Обе волны полностью поляризованы, причем колебания светового вектора необыкновенной волны происходят в главной плоскости кристалла, а обыкновенной - в плоскости, ей перпендикулярной. Одна из этих волн (чаще необыкновенная) и используется в поляризационных приборах в качестве источника поляризованного света (вторая волна при этом тем или иным способом гасится.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла. Плоскость, проведенная через падающий луч и оптическую ось, проведенную в точке падения, называется главной плоскостью кристалла.

Поскольку при двойном лучепреломлении задача получения полностью поляризованного света решается автоматически, остается лишь из двух лучей выделить один. Для этого можно использовать призму Николя.

Призма Николя.

В прецизионных приборах для этой цели используется так называемая призма Николя, изготовляемая из кристалла кальцита («исландский шпат»).

Призма Николя представляет собой две одинаковые треугольные призмыиз исландского шпата, склеенные тонким слоем канадского бальзама. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла находится под углом 64° с направлением света.

Рисунок 8. Устройство призмы Николя.

Светс произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча — обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации. После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражениеот плоскости склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита. Эти двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т.е. различного поглощения света в зависимости от направления плоскости его колебаний. В этих кристаллах обыкновенные лучи почти полностью поглощаются и свет, прошедший через кристалл, является полностью поляризованным.

На этом явлении основано устройство поляризационных фильтров, или поляроидов. Последние представляют собой прозрачную пленку, которая содержит кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например герапатита (сернокислый йодхинин). В процессе изготовления пленки кристаллы ориентируются так, чтобы их оптические оси были параллельны. В результате они дают поляризованный свет с колебаниями в одной определенной плоскости.


Исследование микроструктур в поляризационном свете

Поляризованный свет применяется при исследовании оптически анизотропных элементов различных структур, в частности тканей организма. Во многих случаях при этом, возможно, установить расположение и строение элементов структуры, которые не выявляются при микроскопировании в естественном свете.

Оптическая анизотропия наблюдается, например, у мышечных, соединительно-тканных (коллагеновых) и нервных волокон. Само название скелетных мышц - поперечнополосатые - связано с тем, что при микроскопировании в естественном свете волокно наблюдается состоящим из чередующихся более темных А и более светлых I участков, это и придает ему поперечную исчерченность. Исследование мышечного волокна в поляризованном свете обнаруживает, что более темные участки являются анизотропными, тогда как более светлые - изотропными, что и является причиной их различия в естественном свете.

Коллагеновые волокна целиком анизотропны, оптическая ось их расположена вдоль оси волокна. Мицеллы в мякотной оболочке нейрофибрилл также анизотропны, но оптические оси их расположены в радиальных направлениях.

Для гистологического исследования этих структур применяется поляризационный микроскоп. Это биологический микроскоп, снабженный двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсатором и служит поляризатором, вторая - в тубусе между объективом и окуляром - служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360°.

Если в поляризационный микроскоп, установленный на полное затемнение поля зрения («скрещенные николи»), поместить препарат с изотропной структурой, но поле зрения останется темным. В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарат с анизотропными структурами, свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с этим он не гасится полностью анализатором, и соответствующие структуры выступают светлыми на общем темном фоне поля зрения.


Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Сахариметрия.


Некоторые кристаллы, растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алкалоиды и др.), а также некоторые жидкости обнаруживают свойство вращать плоскость колебаний поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными.

Явление заключается в том, что при прохождении через такое вещество поляризованного света плоскость его колебаний постепенно вращается вокруг оси светового пучка на угол, пропорциональный толщине пройденного светом слоя вещества. При этом у каждого оптически активного вещества имеется две разновидности - лево- и правовращающая (против и по часовой стрелке, если смотреть навстречу свету), - состоящие из молекул, структура которых представляет зеркальное отображение одна другой.

Для растворов оптически активных веществ угол вращения плоскости колебаний монохроматического света зависит от природы вещества, температуры, концентрации С и длины l столба раствора, через который проходит свет:

= (/100) Сl,

где - коэффициент, называемый удельным вращением. Удельное вращение - это увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора, при температуре 20°С и при длине волны света (желтая линия D паров натрия) = 589 нм. Для глюкозы = 52,8°.

Угол вращения для данного вещества зависит от длины волны света. По закону Био, угол вращения приблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны света: Ф а/2, где а - постоянная, зависящая от природы веществ.



Метод физических исследований, основанный на измерении степени поляризациисветаи угла поворотаплоскостиполяризациисветапри прохождении его через оптическиактивные вещества называется поляриметрией. Так как угол поворотав растворах зависит от их концентрации, то поляриметрияшироко применяется для измерения концентрацииоптическиактивных веществ.


Для того чтобы исключить влияние длины волны света на угол вращения, поляриметрия производится в монохроматическом свете, который получается с помощью соответствующего светофильтра; если в рассмотренных условиях использовать поляризованный белый свет, то анализатор при повороте будет пропускать поочередно лучи различной длины волны и пятно на экране будет соответственно менять цвет. Это явление называется дисперсией оптической активности и используется при изучении структуры вещества. Метод называется спектрополяриметрией.

Поляриметрия используется для измерения концентрации оптически активных веществ в растворе и в медицине, в частности для определения содержания сахара в моче больных. Применяемый для этого прибор называется сахариметром. Для упрощения расчетов в нем применяют трубку с раствором такой длины, чтобы угол поворота анализатора в градусах численно равнялся концентрации С раствора в граммах на 100 мл. При этом условии длина трубки l = 100/. Например, для глюкозы l = 1,9 дм (19 см).

Рисунок 9. Внешний вид и схема компонентов сахариметра.

Сахариметр (рис. 9, а) представляет закрывающуюся крышкой трубку Т на штативе Ш, в которой расположена оптическая система прибора, схематически показанная на рис. 9, б. Параллельный пучок монохроматического света, образованный от источника И с помощью желтого светофильтра Ф и линзы Л, проходит через поляризатор П, трубку К с исследуемым раствором и анализатор А, укрепленный на вращающемся диске Д с делениями. Затем свет фокусируется объективом Об в поле зрения окуляра Ок, которое и наблюдается глазом. Для точности отсчета диск Д снабжен шкалой с нониусом Н. При измерениях сначала, без исследуемого раствора, анализатор устанавливают на полное затемнение поля зрения. Затем помещают в прибор трубку с раствором и вращая анализатор, снова добиваются полного затемнения поля зрения. Наименьший из двух углов, на который при этом необходимо повернуть анализатор, и является углом вращения для исследуемого вещества. По величине угла вычисляется концентрация сахара в растворе.

Определение угла вращения по затемнению поля зрения является недостаточно точным и требует предварительной адаптации глаза. В то же время глаз весьма чувствителен к разнице яркостей граничащих частей поля зрения. Это используется в поляриметрах с полутеневым отсчетом, в которых анализатор устанавливается по условию уравнивания яркостей двух или трех частей, на которые разделяется поле зрения.









  • Карта сайта