SPRAWOZDANIE

Biooptyka

Katarzyna Antoniewska

Kamila Bożek

Jakub Kręgiel

DOŚWIADCZENIE 1

Cel doświadczenia:

Obserwacja zjawiska dyfrakcji i interferencji.

Materiały i metody:

Spoglądanie na światło przez wąską szczelinę wytworzoną między dwoma palcami.

Wyniki:

W trakcie przybliżania dłoni do oka zauważono pionowe prążki w szczelinie między palcami. Podczas oddalania dłoni prążki stają się coraz jaśniejsze, aż w końcu znikają.

Dyskusja wyników:

Według zasady Huygensa, każdy punkt, do którego dochodzi fala może stać się źródłem nowej fali kolistej. W wyniku przechodzenia światła niespolaryzowanego przez dostatecznie małą szczelinę światło to ulega zjawisku dyfrakcji, czyli zmianie kierunku rozchodzenia się fali po napotkaniu przeszkody o rozmiarach podobnych do długości fali.

W przypadku naszego doświadczenia szczelina między palcami może być więc traktowana jako układ wielu punktów tworzących nową falę. Zjawisko interferencji w naszym doświadczeniu zostaje zaobserwowane w zmianie intensywności widzianych prążków, które powstają w wyniku nakładania się, wzmacniania i wygaszania fal.

DOŚWIADCZENIE 2

Cel doświadczenia:

Obserwacja zjawiska dyfrakcji na piórze.

Materiały i metody:

Wykonanie 6 zdjęć piór za pomocą mikroskopu podłączonego do monitora i programu Intel Play QX3 w trzech różnych powiększeniach i w dwóch modułach.

Wyniki:
Na podstawie obserwacji zdjęć stwierdzono:
- w oświetleniu BOTTOM promienie lotki czarne, ponieważ nie przepuszczają światła, w przeciwieństwie do obszarów pomiędzy lotkami
- w oświetleniu TOP - promienie lotki jasne, ponieważ w tym wypadku odbijają światło, natomiast obszary pomiędzy są ciemne ( pochłaniają światło)

Dyskusja:

Ze względu na regularną i złożoną strukturę pióra, stanowi ono model naturalnej siatki dyfrakcyjnej. Światło polichromatyczne przechodząc przez piór daje obraz dyfrakcyjny z widm tego światła.

Dlaczego pióra mienią się w słońcu kolorami tęczy?

Efekt dyfrakcji i interferencji sprawia, że kolor piór o metalicznym połysku zmienia się w zależności od kąta padania światła a także od pozycji patrzącego.
Zdjęcia:

Powiększenie 10x BOTTOM:

Powiększenie 10x TOP:

Powiększenie 60x BOTTOM:

Powiększenie 60x TOP:

Powiększenie 200x BOTTOM:

Powiększenie 200x TOP:

DOŚWIADCZENIE 3

Cel doświadczenia:

Obserwacja różnic w rozchodzeniu się światła białego w dwóch typach roztworów.

Materiały i metody:

Obserwacja światła białego przechodzącego przez dwie kuwety z wodą. Do pierwszej wkropiono atrament a do drugiej śmietankę.

Wyniki:

W kuwecie z wodą i atramentem zaobserwowano wiązkę światła białego o kształcie zbliżonym do stożka. W miarę dodawania coraz większej ilości atramentu wiązka światła ulegała skróceniu i zwężeniu

W kuwecie z wodą i śmietanką wiązka światła białego rozproszona została w całej objętości roztworu.

Dyskusja:

Każda biała cząsteczka w kuwecie z roztworem śmietanki odbija światło białe, dlatego zaobserwowano rozproszoną wiązkę światła w kształcie stożka.

Każda czarna cząsteczka w kuwecie z roztworem atramentu absorbuje światło białe, które ulega całkowitemu pochłonięciu przez cząsteczki tego roztworu, dlatego im więcej barwnika tym krótsza wiązka światła.

DOŚWIADCZENIE 4

Cel doświadczenia:

Obserwacja zjawiska fluorescencji roztworu eozyny

Materiały i metody:

Przy użyciu mikroprocesorowego oświetlacza emitującego światło polichromatyczne (nastawionego na 70% mocy) oświetlano prostopadłościenną kuwetę wypełnioną zakwaszonym roztworem eozyny i badano jej fluorescencję.

Po zmianie filtrów dokonywano kolejnych pomiarów polegających na obserwowaniu koloru i długości emitowanej wiązki.

Odległość między oświetlaczem a kuwetą wynosiła 3cm, natomiast długość kuwety 50cm.

Wyniki:

Zastosowany filtr	Barwa światła	Długość fluoryzującej	Długość propagacji
		wpadającego	zielonej wiązki [cm]	promienia
nr 1	białe	23	Wypada poza kuwetę, czyli 50cm
nr 2	zielone	0	17 cm (żółte)
nr 3	czerwone	0	Wypada poza kuwetę - 50cm (czerwone)
nr 4	białe	4,5	Wypada poza kuwetę - 50cm
"zielone" okulary	zielone	0	13cm (żółte)
"żółte" okulary	żółte	0	30cm (żółte)
granatowa, matowa folia	niebieskie	4,5	17cm
matowe szkło	białe	1,5	Wypada poza kuwetę - 50cm
pomarańczowa folia	pomarańczowe	2	Wypada poza kuwetę - 50cm

Dyskusja:

Fluorescencją nazywamy stan, w którym w czasie działania czynnika wzbudzającego dochodzi do emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę. Jedna z substancji o właściwościach fluorescencyjnych jest eozyna. Natomiast przykładem fluorescencji jest fotoluminescencji - poprzez absorpcję kwantu światła widzialnego dochodzi do wzbudzenia cząsteczki lub atomu. Warunkiem emitowania światła jest pochłonięcie fali elektromagnetycznej o energii wyższej niż energia emitowanego światła. Poszczególne filtry, w zależności od ich barwy, mają różna zdolność ograniczania fluorescencji eozyny. W przeprowadzonym doświadczeniu za miarę intensywności fluorescencji przyjęto długość wiązki emitowanego zielonego światła. Największą fluorescencję omawianego związku powoduje światło białe - długość fluoryzującej zielonej wiązki 5cm. Dzieje się tak, ponieważ przepuszcza ono wszystkie długości fal ulegających absorpcji. Z kolei przy posiadającym najniższą energię świetle czerwonym nie następuje wzbudzenie próbki. Jeśli energia fali wzrasta, długość fali się zmniejsza, co obrazują poniższe dane. Efektem powinna być zwiększona intensywność fluorescencji badanej próbki.

Barwa	Długość fali lambda [nm]	Energia fali [eV]
Fioletowa	360 - 440	(3,44 - 2,82) ×10^-18
Niebieska	440 - 500	(2,81 - 2,48 )×10^-18
Zielona	500 - 580	(2,47 - 2,14) ×10^-18
Żółta	580 - 590	(2,13 - 2,10) ×10^-18
Pomarańczowa	590 - 640	(2,09 - 1,94) ×10^-18
Czerwona	640 - 780	(1,93 - 1,59) ×10^-18

Wynika z tego, że wraz ze wzrostem energii wiązki wpadającej do kuwety rośnie długości optycznej drogi wiązki zielonej. Wyniki doświadczenia powinny potwierdzić tę tezę. Niewłaściwe rozpoznanie barw światła wpadającego do kuwety lub błędne pomiary długości wiązki światła mogą być przyczynami błędów w interpretacji zjawiska.

DOŚWIADCZENIE 5

1) Cel doświadczenia:

Wyznaczenie długość fali światła monochromatycznego dla zielonego oraz czerwonego lasera

Materiały i metody:

Wyznaczenie długości fali światła zielonego i czerwonego za pomocą laserów w danych kolorach oraz siatki dyfrakcyjnej o stałej d=13400/cal.

Obliczenia wykonano z wykorzystaniem poniższych danych:

a-odległość od środka obrazu do punktu na widmie pierwszego rzędu.

b- odległość między siatką dyfrakcyjną a płaszczyzną na której otrzymano obraz (tablicą).

dsinα=nλ λ=

, czyli c=

d=cal/ilość rys,

1cal=2,54cm

Stała siatki dyfrakcyjnej: d= 13400/cal

Wyniki:

Dane do tabelki obliczono z powyższych wzorów przy użyciu programu Microsoft Excel

światło:	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinα	ilość rys/cal	d [cm]	n	λ [cm]	λ [nm]
zielone	8,5	26,5	28,64	0,2798	13400	0,00019	1	5,3162E-05	531,62
czerwone	10	27,8	29,54	0,3385	13400	0,00019	1	6,4315E-05	643,15

Dyskusja:

Na podstawie otrzymanych wyników długości fal światła monochromatycznego zielonego i czerwonego odpowiadających danym tabelarycznym , stwierdzono, ze zastosowana metoda wyznaczania długości fali jest skuteczna.

Barwa	Długość fali lambda [nm]
Fioletowa	360 - 440
Niebieska	440 - 500
Zielona	500 - 580
Żółta	580 - 590
Pomarańczowa	590 - 640
Czerwona	640 - 780

2) Cel doświadczenia:

Określenie rozmiarów erytrocytów na rozmazu krwi żaby

Materiały i metody:

Rozmiary erytrocytów określono za pomocą lasera oraz siatki dyfrakcyjnej o znanej stałej siatki. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem poniższych danych:

a-odległość od środka obrazu do punktu na widmie pierwszego rzędu.

b- odległość między siatką dyfrakcyjną a płaszczyzną na której otrzymano obraz (tablicą).

dsinα=nλ λ=

, czyli c=

d=cal/ilość rys,

1cal=2,54cm

Stała siatki dyfrakcyjnej: d= 13400/cal

W przypadku badania erytrocytów rząd widma n ulega zmianie, ponieważ pomiarów dokonujemy na bazie okręgu.

n=1 1,22

n=2 2,33

n=3 3,43

Wyniki:

Dane do tabelki obliczono z powyższych wzorów przy użyciu programu Microsoft Excel

1. Laser emitujący światło zielone:

a [m]	b [m]	c [m]	sin θ	n	λ [m]	λ [nm]	d
0,35	0,023	0,350755	0,06423	1,22	531,62E-07	531,62	0,99032E-05
0,35	0,044	0,352755	0,13456	2,33	531,62E-07	531,62	1,08632E-05
0,35	0,069	0,356736	0,23451	3,23	531,62E-07	531,62	1,36571E-05
						średnia:	1,147451E-05

2. Laser emitujący światło czerwone:

a [m]	b [m]	c [m]	sin θ	n	λ [m]	λ [nm]	d
0,35	0,025	0,35089	0,03805	1,22	6,4315E-07	663,15	4,70309E-06
0,35	0,06	0,35511	0,14389	2,33	6,4315E-07	663,15	9,31243E-06
0,35	0,085	0,360173	0,28244	3,23	6,4315E-07	663,15	1,31860E-05
						średnia:	9,06717E-06

Dyskusja:

Na podstawie otrzymanych wyników: 1,147 μm i 9,067 μm, wyciągnięto średnią równą 8,758 μm i porównano z danych z literatury. Otrzymane w doświadczeniu wyniki zgadzają się z normą, która wynosi 6-9 μm.

3. Cel ćwiczenia:

Oszacowanie stałej siatki dyfrakcyjnej użytej w doświadczeniu.

Materiały i metody:

Stałą siatki dyfrakcyjnej określono przez użycie światła monochromatycznego z zielonego i czerwonego lasera oraz wykonanie odpowiednich obliczeń.

Wyniki:

odległość siatki dyfrakcyjnej od tablicy= 2,18m

uśredniona odległość między punktami na tablicy= 2,23cm

Dla lasera zielonego:

a [m]	b [m]	c [m]	n	λ [nm]	sinθ	d [nm]
2,18	0,023	2,18012	1	531,62	0,00006	886,033

Dla lasera czerwonego:

a [m]	b [m]	c [m]	n	λ [nm]	sinθ	d [nm]
2,18	0,025	2,1801	1	663,15	0,00005	13265,03

Dyskusja:

Po wykonaniu doświadczenia i po odpowiednich obliczeniach uzyskano wartość stałej siatki dyfrakcyjnej równą 886,033 nm dla lasera zielonego i 13265,03 dla lasera czerwonego. Rozbieżność wyników może być spowodowana błędnym wykonaniem pomiarów.

DOŚWIADCZENIE 6

Cel ćwiczenia:

Obliczenie względnego współczynnika załamania światła n dla pryzmatu.

Materiały i metody:

Obserwacja kąta odbitego oraz kąta załamanego światła spolaryzowanego o znanej długości fali po przejściu przez pryzmat o ściankach gładkich i matowej. Na pryzmat świecono pod dwoma znanymi kątami, kąty załamania i odbicia mierzono kątomierzem.

Wyniki:

Kąt padający	Kąt odbity	Kąt załamany
60^0	60^0	60^0
40^0	40^0	45^0

Obliczono współczynnik załamania światła w pryzmacie w programie Microsoft Excel z zastosowaniem wzorów:




gdzie: n2 jest współczynnikiem załamania światła w pryzmacie

n1 jest współczynnikiem załamania światła w powietrzu i wynosi 1

α1 jest kątem promienia padającego na powierzchnię pryzmatu

α2 jest kątem promienia załamanego w pryzmacie

α1	α2	n1	n2
60	60	1	1
40	45	1	0,909
		średnia:	0,9545

Dyskusja:

Otrzymano wartość względnego współczynnika załamania światła dla pryzmatu, wynosił on 1 i 0,909 (po uśrednieniu 0,9545)

DOŚWIADCZENIE 7

Cel doświadczenia:

Zastosowanie w praktyce mikroskopu świetlnego - budowa mikroskopu metodą prób i błędów.

Materiały i metody:

Do budowy mikroskopu użyto: źródła światła, ławy optycznej, przedmiotu do powiększenia oraz soczewek:

-o zdolności skupiającej 5 dioptrii,

-o zdolności skupiającej 10 dioptrii,

-dwuwypukłej

Metodą prób i błędów ustawiono wszystkie elementy mikroskopu tak, aby obraz otrzymany na ścianie i na papierze był ostry.

Wyniki:

Ostry i powiększony obraz przedmiotu otrzymano przy odległościach:

Źródło światła a ściana: 183cm

Ogniskowa w odległości: 29,5cm

Wielkość przedmiotu w oryginale: 1cm

Wielkość przedmiotu w powiększeniu: 22cm

Odległość obrazu od ogniskowej: 26,5






Wnioski:
Zbudowano mikroskop posiadał powiększenie około 22- krotne.

DOŚWIADCZENIE 8

Cel doświadczenia:

Wyznaczenie długości fali przy pomocy płyty CD służącej jako odbiciowa siatka dyfrakcyjna.

Materiały i metody:

Przy użyciu intensywnie świecącej lampy oświetlano płytę CD o stałej dyfrakcji 1,5 μm w wyniku czego otrzymano na ścianie obraz tęczy (sześciu następujących po sobie kolorów). Metrem zmierzono odległość płyty CD od ściany oraz odległości od środka obrazu do początku okręgu każdej kolejnej barwy.

Następnie korzystając z poniższych wzorów obliczono długość poszczególnych fal oraz wyciągnięto ich średnie.

dsinα=nλ λ=






, czyli c=





Wyniki:

Odległości poszczególnych kolorów od środka obrazu:

kolor	Pierwszy pomiar (dla prążków pierwszego rzędu po prawej stronie)	Drugi pomiar (dla prążków pierwszego rzędu po lewej stron)
Żółty	57	58
pomarańczowy	62	64
Czerwony	69	68
Fioletowy	37	38
Niebieski	40	43
Zielony	47	49

Obliczono długość poszczególnych fal przy pomocy programu Microsoft Excel z zastosowaniem poniższych wzorów:

dsinα=nλ λ=






, czyli c=



pomiar I
światło	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinθ	d [μm]	n	λ [μm]	λ [nm]
żółte	43	195	199,6847	0,215339	1,6	1	0,3445424	344,5424
pomarańczowe	62	195	204,6191	0,303002	1,6	1	0,4848032	484,8032
czerwone	67	195	206,1892	0,324944	1,6	1	0,5199104	519,9104
fioletowe	20	195	196,0229	0,102028	1,6	1	0,1632448	163,2448
niebieskie	29	195	197,1446	0,147100	1,6	1	0,23534	235,34
zielone	37	195	198,4792	0,186417	1,6	1	0,2982672	298,2672
pomiar II
światło	a [cm]	b [cm]	c [cm]	sinθ	d [μm]	n	λ [μm]	λ [nm]
żółte	41	195	199,2636	0,205757	1,6	1	0,32921	329,21
pomarańczowe	62	195	204,61915	0,3030	1,6	1	0,4848	484,8
czerwone	68	195	206,51634	0,329271	1,6	1	0,526833	526,833
fioletowe	22	195	196,2371	0,1121	1,6	1	0,17936	179,36
niebieskie	31	195	197,4487	0,157	1,6	1	0,2512	251,2
zielone	37	195	198,4792	0,18641	1,6	1	0,298256	298,256




Obliczono wartości średnie długości fali λ dla poszczególnych barw:

światło	λ [nm]
żółte	336,88
pomarańczowe	484,8
czerwone	523,37
fioletowe	171,3
niebieskie	243,27
zielone	298,26

Wnioski i dyskusja wyników:

Wszystkie z otrzymanych wartości są niższe od wartości oczekiwanych, jednak zgodnie z nimi najkrótszą fala jest fioletowa a najdłuższą czerwona. Błędne wyniki mogły zostać spowodowane:
- wadami wzroku studenta przeprowadzającego obserwacje

-nakładaniem się barw na siebie i niedokładnym odczytaniem początku zmiany barwy

-złym określeniem środka obrazu

-niedokładnością metra

---