MIKROSKOP OPTYCZNY — BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Układ optyczny mikroskopu tworzą w zasadzie dwie soczewki zbierające, których środki leżą na wspólnej osi optycznej. Soczewki te noszą nazwy obiektywu i okularu.

Obiektyw jest soczewką o krótkiej (rzędu kilku milimetrów) ogniskowej, okular — soczewką o ogniskowej dłuższej (rzędu kilku centymetrów). Dzięki odpowiedniemu ustawieniu obu tych soczewek względem siebie, przedmiot obserwowany umieszczony w niewielkiej odległości od obiektywu może zostać powiększony od kilkudziesięciu do około dwóch tysięcy razy.

Schemat obserwacji przedmiotu w mikroskopie optycznym jest następujący:

Przedmiot obserwowany umieszczamy przed obiektywem w odległości x₁ (2f_ob > x₁ > f_ob) i uzyskujemy obraz rzeczywisty, powiększony i odwrócony.

Uzyskany w obiektywie obraz staje się przedmiotem powiększanym przez okular.

Obraz ten znajduje się przed okularem w odległości x₂ (x₂ < f_ok), w wyniku uzyskujemy zatem obraz pozorny, powiększony i prosty.

Obraz uzyskany w mikroskopie (obiektyw + okular) jest pozorny, powiększony i odwrócony. Po wybiegnięciu z okularu promienie załamują się na siatkówce oka obserwatora, dając w efekcie obraz rzeczywisty.

Bieg promieni w mikroskopie optycznym przedstawia się następująco:

Mniejszą soczewką na obrazie jest obiektyw, którego ogniskowa zaznaczona jest kropkami na osi optycznej.

Większa soczewka to okular, którego ogniskową zaznaczono na osi optycznej kwadracikami.

Kolorem niebieskim zaznaczony został przedmiot obserwowany.

Kolorem zielonym — obraz powstały w obiektywie, a zarazem przedmiot powiększenia okularu.

Kolorem czerwonym — obraz uzyskany w okularze, czyli widziany przez obserwatora w mikroskopie.

POWIĘKSZENIE MIKROSKOPU

Powiększenie P mikroskopu jest iloczynem powiększeń obiektywu i okularu. Wyrażamy je wzorem:

gdzie P_ob jest powiększeniem obiektywu,

P_ok — powiększeniem okularu

f_ob — ogniskową obiektywu

f_ok — ogniskową okularu

L — długością tubusu, czyli odległością między obiektywem a okularem

d — tzw. odległością dobrego widzenia (około 25 cm).

ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA MIKROSKOPU

Uzyskiwanie coraz znaczniejszych powiększeń oglądanych przedmiotów powoduje postępujące zmniejszanie wyrazistości szczegółów ich budowy. Zjawiska dyfrakcyjne, zachodzące na drobnych elementach preparatu, powodują bowiem zniekształcenie odwzorowania.

Zdolnością rozdzielczą D mikroskopu nazywamy odwrotność najmniejszej odległości d dzielącej na powierzchni przedmiotu obserwowanego dwa punkty, które na obrazie możemy rozróżnić jeszcze jako oddzielne.

Apertura Numeryczna wyraża zdolność układu optycznego do przyjmowania strumienia światła i wyraża się wzorem

A=nsin

Kątem aperturowym α nazywamy kąt rozwartości stożka świetlnego wchodzącego do obiektywu (inaczej mówiąc: jest to połowa kąta, jaki tworzą dwa promienie rozpoczynające się na osi optycznej przedmiotu obserwowanego i wchodzące jeszcze do obiektywu).

ZJAWISKO IMMERSJI

Zjawisko to polega na wprowadzeniu między przedmiot obserwowany a obiektyw cieczy (woda, gliceryna, olejek cedrowy) o współczynniku załamania światła możliwie bliskim współczynnikowi załamania szkła. Sprawia to, że zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia przestaje zachodzić lub znacznie zmniejsza się jego zakres, a w konsekwencji — większa ilość światła dostaje się do obiektywu. Ciecz, którą wprowadzamy między obiektyw a przedmiot obserwowany, nazywamy cieczą immersyjną, a obiektyw taki — obiektywem immersyjnym.

Kryterium Rayleigha, mówi, że dwa punkty są jeszcze rozdzielane przez układ optyczny, gdy maksimum główne jednego z punktów pokrywa się z pierwszym minimum drugiego.

WIELKOŚCI FOTOMETRYCZNE

Światłość źródła (I) — dawniej nazywana natężeniem źródła światła).

Jest to wielkość, charakteryzująca źródło światła pod względem energetycznym. Wyrażamy ją w kandelach (1 cd). Kandela jest jedną z jednostek podstawowych w układzie SI, a jej naukowa definicja to: światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia 1/600 000 m² promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101 325 Pa.

Strumień świetlny (Ф).

Wielkość ta wiąże się ze światłością źródła, a wyraża się wzorem:

gdzie I oznacza światłość źródła mierzoną w kandelach,

a ∆ω— kąt bryłowy, w którym rozchodzi się strumień.

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (1 lm). Jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 steradiana przez umieszczone w wierzchołku tego kąta punktowe, emitujące izotropowo źródło światła o światłości 1 kandeli.

Strumień świetlny można mierzyć także ilością energii przechodzącej w jednostce czasu przez powierzchnię S znajdującą się w polu świetlnym, a więc wyrażać go w watach.

Na podstawie wzoru definiującego strumień świetlny możemy obliczyć światłość źródła:

Luminancja (B) — inaczej zwana blaskiem lub jasnością powierzchniową.

Luminancja jest wielkością służącą do fotometrycznego opisu źródeł rozciągłych. Luminancję charakteryzuje promieniowanie, które rozpatrywana powierzchnia wysyła w określonym kierunku.

Rozpatrzmy powierzchnię S, emitującą w danym kierunku promieniowanie o światłości I. Rzut tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku nazwijmy S'. Luminancją powierzchni S źródła rozciągłego nazwiemy stosunek światłości I do wielkości S'. Obliczamy ją, znając wielkość powierzchni S oraz wartość kąta α pomiędzy normalną do niej a wybranym kierunkiem promieniowania.

Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy.

Natężenie oświetlenia (E)

Natężeniem oświetlenia nazywamy stosunek strumienia świetlnego padającego na powierzchnię S ustawioną prostopadle do kierunku strumienia, do wielkości tej powierzchni. Jednostką natężenia oświetlenia jest luks (1 lx). Jest to natężenia oświetlenia powierzchni 1 m2, przez którą przechodzi strumień świetlny o wartości 1 lm.

Podstawiając do powyższego wzoru wartość strumienia, otrzymujemy:

Jeżeli odległość r powierzchni oświetlanej o wielkości S od źródła światła jest na tyle duża, aby powierzchnię tę można było potraktować jako wycinek kuli, w miejsce ω możemy podstawić:

Powstaje wówczas końcowy wzór:

Natężenie oświetlenia jest zatem wprost proporcjonalne do światłości źródła i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między źródłem a powierzchnią oświetlaną.

Zależność tę wykorzystujemy, porównując oświetlenie dwóch powierzchni odległych od tego samego źródła światła o r₁ i r₂:

BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA FOTOOGNIWA

Wiele urządzeń stosowanych we współczesnej technice pomiarowej wykorzystuje korpuskularny charakter wiązki świetlnej. Podstawą działania części tych urządzeń są zjawiska fotoelektryczne. Zachodzą one, gdy wiązka światła o określonej energii pada na jakąś powierzchnię. Może wówczas nastąpić przekazanie całej

energii fotonu jednemu z elektronów substancji naświetlanej, co powoduje albo opuszczenie powierzchni tej substancji przez elektron (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne), albo oderwanie tego elektronu od atomu, lecz bez jego wyjścia poza obręb substancji — zachodzi wówczas zwiększenie jej przewodnictwa (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne). Może również występować tzw. efekt fotowoltaiczny, polegający na powstawaniu różnicy potencjałów na złączu dwóch półprzewodników lub metalu i półprzewodnika.

Fotoogniwo jest urządzeniem, wykorzystującym w swoim działaniu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, zjawisko powstawania kontaktowej różnicy potencjałów oraz szczególne własności przewodzące półprzewodników (tzw. przewodnictwo elektronowo-dziurowe). Jego budowa przedstawia się następująco: jest to naniesiony na metalową płytkę, pełniącą rolę elektrody, półprzewodnik, pokryty cienką warstwą drugiego półprzewodnika lub metalu. Do całości podłączony jest obwód, w którym po zamknięciu może płynąć prąd fotoelektryczny.

Obszar oznaczony zygzakowatą linią oznacza warstwę półprzewodnika.

Obszar zakreskowany ukośnie oznacza warstwę pokrywającego go metalu lub drugiego półprzewodnika.

Strzałki (hv) wskazują kierunek padania promieni świetlnych.

W najczęściej stosowanym fotoogniwie selenowym układ półprzewodnik - metal składa się z cieniutkiej (rzędu 0,1 mm) warstewki selenu, na którą napylona jest przezroczysta dla światła warstewka ołowiu lub srebra (czasem można spotkać także inne metale). Po oświetleniu takiej powierzchni od strony metalu, pary elektron - dziura (czyli ładunek ujemny i odpowiadający mu ładunek dodatni) znajdujące się w półprzewodniku są rozdzielane na skutek istnienia kontaktowej różnicy potencjałów na złączu. Powstaje w ten sposób SEM fotoelektryczna, która po zamknięciu obwodu zewnętrznego powoduje przepływ prądu, zwanego prądem fotoelektrycznym. Natężenie tego prądu jest (w pewnym zakresie) proporcjonalne do natężenia światła padającego na powierzchnię fotoogniwa. Natężenie to dla różnych materiałów może wynosić od kilku do kilkudziesięciu mikroamperów na lumen.

W fotoogniwach następuje bezpośrednie przetworzenie energii świetlnej w elektryczną. Sprawność tego procesu osiąga nawet do 15%! Ma to szczególne znaczenie przy konstrukcji baterii słonecznych, zaopatrujących w energię zarówno urządzenia naziemne, jak i statki, sondy kosmiczne itp. Zastosowania fotoogniw są zresztą bardzo rozległe — mogą one zastępować fotokomórki próżniowe, są stosowane w fotometrii obiektywnej w takich przyrządach pomiarowych, jak fotometry, luksomierze i fotokolorymetry, posługujemy się nimi także w kinie dźwiękowym i noktowizji.

RUCH FALOWY

DEFINICJA FALI

Falą nazywamy proces rozchodzenia się zaburzeń w środowisku. Część przestrzeni objętą w danej chwili zaburzeniem nazywamy polem falowym. Powierzchnię, na której we wszystkich punktach zaburzenie ma tę samą fazę, nazywamy powierzchnią fali. Powierzchnię falową, odgraniczającą pole falowe od niezaburzonego jeszcze środowiska nazywamy czołem fali. Kierunek rozchodzenia się

energii niesionej przez falę nazywamy promieniem fali. Element przestrzeni, który wysyła zaburzenia, nazywamy źródłem fali.

Równanie fali płaskiej.

Równanie to opisuje wartość wychylenia wybranego punktu fali (oddalenie punktu od położenia równowagi) po upływie określonego czasu t od rozpoczęcia drgań. Przyjmujemy oczywiście, że w chwili rozpoczęcia drgań punkt znajdował się w położeniu równowagi. Równanie fali płaskiej będzie wyglądało nieco inaczej w zależności od tego, w którym kierunku biegnie fala.

Jeżeli przyjmiemy, że zaburzenie rozchodzi się „w prawo”, równanie fali płaskiej przybiera postać:

Jeżeli zaburzenie rozchodzi się „w lewo”, wartości prędkości fali, należy przypisać wartość ujemną. Zmienia to postać równania w następujący sposób:

Wielkości występujące w powyższych wzorach oznaczają:

Ψ — wychylenie punktu

λ — długość fali

x — odległość punktu od źródła fali

T — okres drgań punktu

A — amplituda drgań.

CIŚNIENIE AKUSTYCZNE

Zmiany gęstości cieczy lub gazu, w których rozchodzi się dźwięk, są spowodowane naprzemiennym ściskaniem i rozprężaniem warstwy ośrodka przez ciało drgające będące jego źródłem. Zmiany te, jak już wyżej wspomniano, wywołują w ośrodku zmiany ciśnienia, którego wartość chwilowa osiąga większą lub mniejszą wartość od ciśnienia atmosferycznego. Różnicę tych dwu ciśnień nazywamy ciśnieniem akustycznym p.

Ciśnienie akustyczne w danym punkcie przestrzeni jest funkcją czasu — zmienia się sinusoidalnie. W chwili maksymalnego odchylenia punktu ośrodka od położenia równowagi jego wartość jest największa. Nazywamy ją amplitudą ciśnienia akustycznego.

NATĘŻENIE DŹWIĘKU

Natężenie dźwięku I wyraża stosunek mocy P dźwięku przechodzącego przez powierzchnię jednostkową. Moc P dźwięku jest równa mocy źródła, które go emituje.

Czas rewerberancji. Jest to odstęp czasu, po którym natężenie głosu (po umilknięciu źródła) maleje 10⁶ razy w stosunku do natężenia początkowego. Im mniejszy jest ten czas, tym lepsza akustyka pomieszczenia, i przeciwnie — dłuższy czas rewerberancji (będący skutkiem pogłosu) powoduje pogorszenie akustyki wnętrza

Zjawisko odbicia fal w akustyce znamy pod nazwą echa oraz pogłosu — wielokrotnych odbić i chaotycznego nakładania się fal odbitych najczęściej od gładkich ścian dużej sali. Na ogół jest to zjawisko niekorzystne dla akustyki wnętrz, ponieważ zakłóca odbiór muzyki, zrozumiałość mowy itp

W pewnych ośrodkach zachodzić może pochłanianie fali akustycznej, czyli tłumienie dźwięku. Proces pochłaniania fali dźwiękowej przebiega zgodnie z prawem Lamberta:

co oznacza, że natężenie dźwięku maleje wykładniczo podczas przechodzenia przez warstwę tłumiącą.

Fale akustyczne ulegają również ugięciu i załamaniu. Ugięcie występuje bardzo powszechnie, ponieważ większość przeszkód i otworów, jakie fale te napotykają na swojej drodze (okna, mury, drzewa) ma rozmiar porównywalny z długością fal — z tej przyczyny możemy słyszeć rozmowę odbywającą się za ścianą, nawet jeżeli nie znajdujemy się naprzeciw drzwi. Załamanie fal następuje na przykład w powietrzu o niejednakowej gęstości, dajmy na to, na otwartym terenie w słoneczny dzień. Poszczególne warstwy powierza w zależności od odległości od nagrzanej ziemi mają różne temperatury, a więc i gęstości, promień przechodzącej fali dźwiękowej może zatem ulegać w nich zakrzywieniu.

Oporność fali-Impedancja - miara oporu jaki stawia ośrodek rozchodzącej się w nim fali

Głośność dźwięku odbierana przez narząd słuchu zależy od jego częstotliwości. W pomiarach głośności różnych zjawisk akustycznych umówiono się określać ich głośność przez porównanie z głośnością tonu o częstotliwości υ₀ = 1000 Hz. Jednostką głośności jest fon. Głośność badanego dźwięku wynosi tyle fonów, ile decybeli ma dźwięk o częstotliwości υ₀ (1000 Hz) równogłośny z badanym wrażeniem.

Próg bólu wartość ciśnienia akustycznego dźwięku przy którym ucho odczuwa wrażenie bólu. Wynosi 140dB dla dźwięków sinusoidowych i 120 dB dla szmerów.

Próg słyszalności (próg absolutny) jest minimalnym poziomem dźwięku, jaki może być spostrzeżony wobec braku innych dźwięków zewnętrznych

Zbiór krzywych jednakowej głośności, czyli izofon (na osi rzędnych wykresu, w którym umieszczamy krzywe, odłożony jest poziom natężenia dźwięku, a na osi odciętych — częstości υ w skali logarytmicznej). Krzywe te łączą punkty wykresu, których głośność jest jednakowa, mimo że ich natężenia obiektywne i częstotliwości mogą być różne.

FIZYCZNE I FIZJOLOGICZNE CECHY DŹWIĘKU

Cechy dźwięku dzielimy na fizyczne (obiektywne) i odpowiadające im fizjologiczne (subiektywne), czyli odbierane w odmienny sposób przez różnych ludzi.

Fizyczną cechą dźwięku jest jego częstotliwość. Odpowiadająca jej cecha fizjologiczna to wysokość dźwięku — większej częstotliwości odpowiada wyższy dźwięk i na odwrót.

Kolejna fizyczna cecha dźwięku to natężenie. Odpowiada jej cecha subiektywna — głośność. Przy stałej częstotliwości dźwięku wyższemu natężeniu odpowiada większa głośność i odwrotnie. Przy zmiennej częstotliwości zależność głośności od niej i od natężenia dźwięku opisują scharakteryzowane już krzywe jednakowej głośności.

Ostatnią z fizycznych cech dźwięku jest jego struktura widmowa. Wymaga ona krótkiego omówienia, a mianowicie przedstawienia słyszanego przez nas dźwięku jako sumy pewnych zjawisk głosowych, czyli tonów, dzielonych przez nas na podstawowe i harmoniczne.

Liczba i natężenie, a także kolejność i odstęp w pojawianiu się tonów harmonicznych nałożonych na ton podstawowy decyduje o ostatniej cesze fizjologicznej, odpowiadającej widmowej strukturze dźwięku — jego barwie.

Ubytkiem słuchu określa się pogorszenie słuchu, powodujące podwyższenie progu słyszalności, czyli zmniejszenie wrażliwości ucha na dźwięk o danym natężeniu.

ZASADA POMIARU ŚWIATŁOŚCI ŹRÓDŁA METODĄ FOTOMETRYCZNĄ

Pomiaru światłości źródła możemy dokonać za pomocą fotometru, składającego się ze źródła światła Z₁ o znanej światłości I₁, fotoogniwa F połączonego z mikroamperomierzem A oraz ze źródła światła Z₂ o nieznanej światłości I₂, którą chcemy zmierzyć. Pomiaru dokonujemy, przesuwając źródło światła o nieznanej światłości względem powierzchni fotoogniwa F tak długo, dopóki natężenia oświetlenia E powierzchni fotoogniwa nie zrówna się z natężeniem światła emitowanego przez źródło o znanej światłości.

Korzystamy wówczas z następującej zależności: jeżeli natężenie oświetlenia E na powierzchni fotoogniwa jest jednakowe dla obydwu źródeł światła, to zachodzi związek:

hv

E

L

E

K

T

R

O

D

A

SCHEMAT

FOTOOGNIWA

---