Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku
analityka medyczna
Wykorzystanie fal świetlnych w
metodach pomiarowych
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
2012/2013
Załamanie światła
woda szkło
Całkowite wewnętrzne odbicie
Światło padające na granicę od
strony ośrodka o wyższym
współczynniku załamania pod kątem
większym niż kąt graniczny ulega
całkowitemu wewnętrznemu
odbiciu.
Wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego
odbicia do pomiaru współczynnika załamania światła
qðGranica miÄ™dzy polem jasnym i ciemnym odpowiada kÄ…towi
granicznemu Åšgr.
qðMierzÄ…c kÄ…t graniczny można znalez
ć współczynnik
załamania
qðWspółczynnik zaÅ‚amania zależy od stężenia cieczy
Refraktometr Abbego - przyrzÄ…d do pomiaru
stężenia substancji
Główną częścią refraktometru są
połączone zawiasowo dwa pryzmaty
 pomiędzy które wprowadza się
kroplÄ™ badanej cieczy.
Pomiary refraktometryczne stosuje się głównie w
przemyśle spożywczym
Całkowite wewnętrzne odbicie 
wykorzystanie w światłowodach
Światłowód  przezroczyste włókno, w którym
odbywa się przesyłanie światła.
Odpowiedni dobór współczynnika załamania
światła poszczególnych warstw światłowodu
eliminuje wypromieniowanie światła przez
boczne powierzchnie światłowodu.
Ściana najprostszego światłowodu składa się z
trzech warstw, z których środkowa ma wyższy
współczynnik załamania, niż zewnętrzne.
Światło jest uwięzione w tej warstwie wskutek
całkowitego wewnętrznego odbicia promieni.
Rozszczepienie światła w pryzmacie
Jeżeli w jednym z ośrodków
prędkość rozchodzenia się fali
(vB) zależy od częstotliwości,
to fale o różnej częstotliwości
załamują się pod różnymi
kÄ…tami.
W efekcie droga, po której
porusza się fala, zależy od jej
częstotliwości, czyli zachodzi
rozszczepienie.
Spektroskop
Spektroskop  przyrząd służący do przeprowadzania analizy
widmowej.
Spektroskop optyczny jest to przyrząd służący do
otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego
(od podczerwieni do ultrafioletu).
Absorpcja światła
- proces pochłaniania energii fal elektromagnetycznej
przez substancjÄ™
" Prawo Lamberta-Beera:
stopień tłumienia światła w
warstwie absorbujÄ…cej jest
proporcjonalny do grubości
warstwy (l) i jej własności
optycznych (a), w przypadku
roztworów należy uwzględnić
stężenie molowe (c) czynnika
powodującego pochłanianie.
Współczynnik zależny od długości fali
Spektrofotometr
Spektrofotometr - aparat umożliwiający pomiar
przepuszczalności lub absorpcji promieniowania
w funkcji długości fali.
Pozwala uzyskać widmo absorpcji albo widmo
przepuszczalności światła dla różnych substancji.
Spektrofotometr
Zasadnicze elementy spektrofotometru:
z
ródło promieniowania  np. lampy: wodorowa lub deuterowa
dla zakresu UV, wolframowa lub halogenowa dla zakresu VIS;
monochromator ( kolimatory i pryzmat lub siatka
dyfrakcyjna zastosowanych do rozszczepienia światła.
szczelinę wyodrębniającą pożądany zakres promieniowania;
kuweta pomiarowa  szklana (zakres fal o długości 340 900
nm), kwarcowa (fale 190 1100 nm) lub z tworzyw sztucznych
(zakres VIS).
detektor  przetwarza energiÄ™ promieniowania
elektromagnetycznego na energiÄ™ elektrycznÄ…
układ pomiarowy (rejestrator)
Spektrofotometr
Widmo absorpcji chlorofilu
Polaryzacja światła (fali e-m)
Polaryzacja  sprowadzenie drgań wektora
elektrycznego do wybranego kierunku w płaszczyz
nie
prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.
W naturze większość z
ródeł światła wytwarza
fale niespolaryzowane.
Sposoby polaryzacji światła
Odbicie od ośrodka przezroczystego,
gdy światło pada na granicę ośrodków przez
roczystych pod
takim kątem (kąt Brewstera), że promień odbity tworzy z
promieniem zaÅ‚amanym kÄ…t 90°, to Å›wiatÅ‚o odbite jest
całkowicie spolaryzowane liniowo.
Sposoby polaryzacji światła
Dwójłomność (podwójne załamanie) -
Zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania
światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Dwójłomność
wykazuje wiele substancji krystalicznych (np. kalcyt), a także
wszystkie ciekłe kryształy.
Oba promienie są spolaryzowane liniowo w płaszczyznach
prostopadłych do siebie.
Sposoby polaryzacji światła
Przepuszczanie przez ośrodki selektywnie
przepuszczające wektor świetlny (wektor natężenia
pola elektrycznego)
Polaryzacja fali elektromagnetycznej przy przejściu
przez drabinkę z drutów
Polaryzatory
Polaryzatory
Polaryzator światła wykorzystujący zjawisko polaryzacji przy odbiciu
od ośrodka przezroczystego.
Pryzmat Nicola - polaryzator wykorzystujący dwójłomność.
Substancje optycznie czynne
Aktywność optyczna  zdolność substancji do zmiany kierunku
polaryzacji światła przechodzącego przez jej roztwór.
Aktywność optyczną wykazują te związki organiczne których
cząsteczki zawierają asymetryczny atom węgla.
Mogą występować w dwóch formach (enancjomerach), będących
swymi odbiciami lustrzanymi. Enancjomery skręcają płaszczyznę
polaryzacji przechodzącego światła w przeciwnych kierunkach.
Mieszanina racemiczna zawierająca równe ilości obydwu
enancjomerów nie skręca płaszczyzny polaryzacji.
Zastosowanie polarymetrii do badania
stężenia substancji optycznie czynnych
Zjawisko aktywności optycznej jest
stosowane do rozpoznawania
cukrów, a także do określania
stężenia cukru w roztworach.
Kąt skręcenia płaszczyzny
polaryzacji światła jest
proporcjonalny do stężenia
substancji.
Pomiar tego kąta umożliwia
obliczenie stężenia.
Polarymetr- przyrząd optyczny służący do określania
skręcalności substancji aktywnych optycznie
dwa polaryzatory: jeden polaryzuje światło a drugi służy jako
analizator płaszczyzny polaryzacji przepuszczonego światła
Podstawy
mikroskopii
optycznej
Załamanie światła w soczewce
Podstawowe pojęcia:
OÅ› optyczna
Ognisko soczewki
Ogniskowa soczewki, f
Załamanie światła w soczewce
Wzór soczewkowy
Zdolność skupiająca, Z
Obraz utworzony przez soczewkÄ™ skupiajÄ…cÄ…
F2
F1
x
y
F2
F1
x
y
Schemat optyczny mikroskopu świetlnego
ok.
ob.
F
4
F
F
3
2
F
1
powiększenie mikroskopu
Powiększenie liniowe mikroskopu
l ×ðd
p =ð pob ×ð pok =ð
fob ×ð fok
l  długość tubusa (odległość między ogniskiem obiektywu i
okularu); d  odległość dobrego widzenia = 25 cm; fob, fok 
odpowiednio, ogniskowe obiektywu i okularu
Zdolność rozdzielcza mikroskopu
Zdolność rozdzielcza mikroskopu
lð
dmin ð1,22
A
A  apertura numeryczna obiektywu
dmin ð lð
Zdolność rozdzielcza definiowana jest jako 1/dmin
DZI
KUJ
!