2.1: Властивості світла

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3978

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Визначте та визначте характеристики електромагнітного випромінювання (ЕМР), що використовується в мікроскопії
Поясніть, як лінзи використовуються в мікроскопії для маніпулювання видимим і ультрафіолетовим (УФ) світлом

Клінічна спрямованість: Частина I

Сінді, 17-річна порадниця літнього спортивного табору, зішкребла коліно, граючи в баскетбол 2 тижні тому. У той час вона думала, що це лише незначне стирання, яке заживе, як і багато інших до цього. Натомість рана почала виглядати як укус комахи і продовжувала ставати все більш болючою і набряклою.

Таборна медсестра оглядає ураження і спостерігає велику кількість гною, що сочиться з поверхні. Стурбована тим, що у Сінді, можливо, розвинулася потенційно агресивна інфекція, вона мазати рану, щоб зібрати зразок з місця інфекції. Потім вона очищає гній і одягає рану, доручаючи Сінді тримати область чистою і повернутися на наступний день. Коли Сінді йде, медсестра відправляє зразок до найближчої медичної лабораторії для аналізу під мікроскопом.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Які речі ми можемо дізнатися про ці бактерії, подивившись на них під мікроскопом?

Видиме світло складається з електромагнітних хвиль, які поводяться як інші хвилі. Отже, багато властивостей світла, які мають відношення до мікроскопії, можна зрозуміти з точки зору поведінки світла як хвилі. Важливою властивістю світлових хвиль є довжина хвилі, або відстань між одним піком хвилі і наступним піком. Висота кожного піка (або глибина кожного жолоба) називається амплітудою. На відміну від цього, частота хвилі - це швидкість вібрації хвилі, або кількість довжин хвиль протягом заданого періоду часу (рис.\(\PageIndex{1}\)).

На малюнку а показана хвиляста лінія з рівномірно повторюваними хвилями вгору і вниз. Пряма лінія через центр хвилястої лінії вказує на підставу хвиль. Відстань від піку однієї хвилі до іншої - довжина хвилі. Відстань від базової лінії до піку хвилі або відстань від базової лінії до жолоба хвилі називається амплітудою. На малюнку b показані три хвилі з одиницею часу, позначені поперек дна. Верхня лінія має хвилі, які широко розкинуті один від одного. Хвилі з широкою довжиною хвилі мають низьку частоту. Суть має хвилі, які знаходяться близько один до одного. Хвилі з вузькою довжиною хвилі мають високу частоту. Середня лінія має середню довжину хвилі і, отже, середню частоту. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Амплітуда - це висота хвилі, тоді як довжина хвилі - це відстань між одним піком і наступним. (б) Ці хвилі мають різні частоти або швидкості вібрації. Хвиля вгорі має найнижчу частоту, оскільки має найменшу кількість піків за одиницю часу. Хвиля внизу має найвищу частоту.

Взаємодія Світла

Світлові хвилі взаємодіють з матеріалами, відбиваючись, поглинаючись або передаючись. Відображення відбувається, коли хвиля відскакує від матеріалу. Наприклад, червоний шматок тканини може відображати червоне світло для наших очей, поглинаючи інші кольори світла. Поглинання відбувається, коли матеріал захоплює енергію світлової хвилі. У випадку з пластиками, що світяться в темряві, енергія світла може бути поглинена, а потім повторно випромінюватися як інша форма фосфоресценції. Передача відбувається, коли хвиля проходить через матеріал, як світло через скло (процес передачі називається пропусканням). Коли матеріал дозволяє пропускати велику частку світла, він може зробити це, оскільки він тонший або більш прозорий (має більшу прозорість та меншу непрозорість). Малюнок\(\PageIndex{2}\) ілюструє різницю між прозорістю і непрозорістю.

На малюнку а показані кінчики рук людини в рукавичках, що тримають прозору тарілку з кришкою. Пластина містить червонуватий матеріал в нижній частині пластини. На малюнку б зображений шматок металу в руках людини. Матеріал темний з деякими блискучими областями. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Чашка Петрі виготовлена з прозорого пластику або скла, що дозволяє пропускати велику частку світла. Ця прозорість дозволяє нам бачити через боки страви, щоб переглянути вміст. (b) Цей шматочок залізного метеорита непрозорий (тобто він має непрозорість). Світло не передається через матеріал, що робить неможливим побачити частину руки, покриту предметом. (Кредит а: модифікація роботи Умберто Сальвагнін; кредит б: модифікація роботи «Waifer X» /Flickr)

Світлові хвилі також можуть взаємодіяти між собою за допомогою перешкод, створюючи складні закономірності руху. Скидання двох камінчиків в калюжу змушує хвилі на поверхні калюжі взаємодіяти, створюючи складні інтерференційні візерунки. Світлові хвилі можуть взаємодіяти таким же чином.

Крім того, що заважають один одному, світлові хвилі також можуть взаємодіяти з дрібними предметами або отворами шляхом згинання або розсіювання. Це називається дифракцією. Дифракція більша, коли об'єкт менше по відношенню до довжини хвилі світла (відстань між двома послідовними піками світлової хвилі). Часто, коли хвилі дифрактують в різні боки навколо перешкоди або отвору, вони будуть заважати один одному.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Якщо світлова хвиля має довгу довжину хвилі, чи може вона мати низьку або високу частоту?
Якщо об'єкт прозорий, він відображає, поглинає чи пропускає світло?

Лінзи і заломлення

У контексті мікроскопії заломлення є, мабуть, найважливішою поведінкою, що проявляється світловими хвилями. Заломлення відбувається, коли світлові хвилі змінюють напрямок, коли вони потрапляють в нове середовище (рис.\(\PageIndex{3}\)). Різні прозорі матеріали пропускають світло з різною швидкістю; таким чином, світло може змінювати швидкість при переході від одного матеріалу до іншого. Ця зміна швидкості зазвичай також викликає зміну напрямку (заломлення), при цьому ступінь зміни залежить від кута вхідного світла.

На малюнку а зображений світловий промінь, спрямований на шматок скла. Коли світловий промінь потрапляє на прозорий скляний матеріал, він згинається приблизно на 45°. Цей зігнутий світловий промінь є заломленим променем. Непрозорий матеріал, на якому сидить скло, не має світла, що світиться крізь нього. На діаграмі b показано стрілку з міткою падаючого променя, спрямовану під кутом 45° вниз до затіненої області. У точці, де падаючий промінь досягає затіненої області, починаються дві інші стрілки. Одна з цих стрілок вказує під кутом 90° від падаючого променя (і далеко від затіненої області) і є відбитим променем. Друга стрілка триває через затінену область, але під трохи зігнутим кутом від падаючого променя. Ця друга стрілка - відбитий промінь. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) Заломлення відбувається, коли світло переходить від одного середовища, наприклад повітря, до іншого, наприклад скла, змінюючи напрямок світлових променів. (b) Як показано на цій діаграмі, світлові промені, що проходять від одного середовища до іншого, можуть бути або заломлені, або відбиті. (кредит a: модифікація роботи «аджизай» /Вікісховище).

Ступінь, в якій матеріал уповільнює швидкість передачі щодо порожнього простору, називається показником заломлення цього матеріалу. Великі відмінності між показниками заломлення двох матеріалів призведуть до великої кількості заломлення при переході світла з одного матеріалу в інший. Наприклад, світло рухається набагато повільніше через воду, ніж через повітря, тому світло, що надходить у воду з повітря, може сильно змінити напрямок. Ми говоримо, що вода має більш високий показник заломлення, ніж повітря (рис.\(\PageIndex{4}\)).

На фото видно стовп, який поміщають у воду. Полюс виглядає так, ніби згинається там, де потрапляє в воду. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Цей прямий полюс, здається, згинається під кутом, коли він входить у воду. Така оптична ілюзія обумовлена великою різницею між показниками заломлення повітря і води.

Коли світло перетинає межу в матеріал з більш високим показником заломлення, його напрямок повертається ближче до перпендикулярно до межі (тобто більше до нормалі до цієї межі; рис.\(\PageIndex{5}\)). Це принцип, що лежить в основі лінз. Ми можемо думати про лінзу як про об'єкт із вигнутою межею (або сукупністю призм), який збирає все світло, що вражає його, і заломлює його так, що все зустрічається в одній точці, яка називається точкою зображення (фокус). Опукла лінза може бути використана для збільшення, оскільки вона може фокусуватися на ближчому діапазоні, ніж людське око, створюючи більше зображення. Увігнуті лінзи та дзеркала також можуть використовуватися в мікроскопах для перенаправлення світлового шляху. \(\PageIndex{5}\)На малюнку показана фокусна точка (точка зображення при попаданні світла в об'єктив паралельна) і фокусна відстань (відстань до фокусної точки) для опуклих і увігнутих лінз.

На схемі а (призма) зображена чітка піраміда зі світлом, що надходить на одну поверхню. Світло, що залишає іншу поверхню, зігнутий і є заломленим світлом. Пунктирна лінія вказує шлях, який би взяв початковий світловий промінь, якби він не зігнувся. Область над пунктирною лінією позначена високим показником заломлення; область під лінією позначена низьким показником заломлення. На схемі b (опукла лінза) зображена лінза з опуклістю в центрі. Світло потрапляє по одній стороні купола і фокусується в точці повз об'єктива і на одній лінії з центром купола. Точка, в якій фокусується світло, - це фокусна точка; відстань від фокусної точки до центру об'єктива - це фокусна відстань. Діаграма c (увігнута лінза) показує лінзу, яка вигинається всередину з обох сторін. Світло, що надходить в цю лінзу, вигинається назовні, подалі від центру кривої лінзи. Пунктирна лінія показує лінійний шлях назад для кожного з зігнутих світлових променів. Точка, в якій зустрічаються всі пунктирні лінії (яка знаходиться з іншого боку об'єктива), є фокусною точкою. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) Лінза схожа на колекцію призм, наприклад, показану тут. (b) Коли світло проходить через опуклу лінзу, воно заломлюється до фокусної точки на іншій стороні лінзи. Фокусна відстань - це відстань до фокусної точки. (c) Світло, що проходить через увігнуту лінзу, заломлюється від фокусної точки перед лінзою.

Людське око містить лінзу, яка дозволяє нам бачити зображення. Ця лінза фокусує світло, що відбивається від предметів перед оком, на поверхню сітківки, яка схожа на екран в задній частині ока. Штучні лінзи, розміщені перед оком (контактні лінзи, окуляри або мікроскопічні лінзи), фокусують світло перед тим, як воно буде сфокусовано (знову) лінзою ока, маніпулюючи зображенням, яке потрапляє на сітківку (наприклад, роблячи його більшим).

Зображення зазвичай маніпулюють, контролюючи відстані між об'єктом, об'єктивом та екраном, а також кривизною об'єктива. Наприклад, при заданій величині кривизни, коли об'єкт знаходиться ближче до лінзи, фокусні точки знаходяться далі від лінзи. Як результат, часто доводиться маніпулювати цими відстанями, щоб створити сфокусоване зображення на екрані. Аналогічно, більша кривизна створює точки зображення ближче до об'єктива і більше зображення, коли зображення знаходиться у фокусі. Ця властивість часто описується з точки зору фокусної відстані, або відстані до фокусної точки.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Поясніть, як лінза фокусує світло в точці зображення.
Назвіть деякі фактори, що впливають на фокусну відстань лінзи.

Електромагнітний спектр і колір

Видиме світло - це лише одна форма електромагнітного випромінювання (ЕМР), тип енергії, яка навколо нас. Інші форми EMR включають мікрохвильові печі, рентгенівські промені та радіохвилі, серед інших. Різні типи ЕМР потрапляють на електромагнітний спектр, який визначається з точки зору довжини хвилі та частоти. Спектр видимого світла займає відносно невеликий діапазон частот між інфрачервоним і ультрафіолетовим світлом (рис.\(\PageIndex{6}\)).

Серія шкал вказує на те, що зображення показує найнижчу довжину хвилі (10 верхнього індексу -18 м) зліва та найвищу довжину хвилі (10 верхніх знаків 6 м) праворуч. Частоти варіюються від понад 10 верхнього індексу 24 Гзон зліва до 1 Гц праворуч. Енергії варіюються від 10 верхнього індексу 12 ev зліва до 10 верхнього індексу -12 праворуч. Типи випромінювання, перераховані вище цих шкал (зліва направо), це: космічне випромінювання, гамма-промені, рентгенівські промені, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне, терагерцеве випромінювання, радіолокаційне, телевізійне та радіомовлення, а також схеми змінного струму. Частина видимого світла спектра витягується і показує синє світло при 400 нм, зелене світло при 500 нм, жовте світло при 600 нм і червоне світло при 700 нм. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Електромагнітний спектр коливається від високочастотних гамма-променів до низькочастотних радіохвиль. Видиме світло - це відносно невеликий діапазон електромагнітних частот, які можна відчути людським оком. На електромагнітному спектрі видиме світло потрапляє між ультрафіолетовим і інфрачервоним світлом. (кредит: модифікація роботи Йоганнеса Альмана).

Тоді як довжина хвилі являє собою відстань між сусідніми піками світлової хвилі, частота, в спрощеному визначенні, являє швидкість коливань. Хвилі з більш високими частотами мають менші довжини хвиль і, отже, мають більше коливань в одиницю часу, ніж хвилі низької частоти. Хвилі більш високої частоти також містять більше енергії, ніж хвилі низької частоти. Ця енергія доставляється у вигляді елементарних частинок, званих фотонами. Високочастотні хвилі доставляють більше енергійних фотонів, ніж низькочастотні хвилі.

Фотони з різною енергією по-різному взаємодіють з сітківкою. У спектрі видимого світла кожен колір відповідає певній частоті та довжині хвилі (рис.\(\PageIndex{6}\)). Найнижча частота видимого світла виглядає як червоний колір, тоді як найвищий - як фіолетовий колір. Коли сітківка отримує видиме світло багатьох різних частот, ми сприймаємо це як біле світло. Однак біле світло можна розділити на складові кольори за допомогою заломлення. Якщо ми пропустимо біле світло крізь призму, різні кольори будуть заломлюватися в різні боки, створюючи райдужний спектр на екрані за призмою. Таке поділ кольорів називається дисперсією, і відбувається воно тому, що для даного матеріалу показник заломлення різний для різних частот світла.

Певні матеріали можуть заломлювати невидимі форми ЕМР і, по суті, перетворювати їх у видиме світло. Деякі флуоресцентні барвники, наприклад, поглинають ультрафіолетове або синє світло, а потім використовують енергію для випромінювання фотонів іншого кольору, віддаючи світло, а не просто вібрацію. Це відбувається тому, що поглинання енергії змушує електрони стрибати до вищих енергетичних станів, після чого вони майже відразу ж падають назад до своїх наземних станів, випромінюючи певну кількість енергії у вигляді фотонів. Не вся енергія випромінюється в даному фотоні, тому випромінювані фотони будуть меншої енергії і, таким чином, меншої частоти, ніж поглинені. Таким чином, такий барвник, як Техаський червоний, може збуджуватися синім світлом, але випромінювати червоне світло; або такий барвник, як ізотіоціанат флуоресцеїну (FITC), може поглинати (невидимий) високоенергетичний ультрафіолетове світло і випромінювати зелене світло (рис.\(\PageIndex{7}\)). У деяких матеріалах фотони можуть виділятися після затримки після поглинання; в цьому випадку процес називається фосфоресценцією. Пластик, що світиться в темряві, працює за допомогою фосфоресцентного матеріалу.

Зображення показує велику клітинку на передньому плані та інші клітини далі на задньому плані. Кожна клітина має неправильну форму з великим синім колом в центрі. Зелені лінії оточують синє коло і простягаються до країв клітинки. Інша частина клітини червоного кольору з яскраво-червоним краєм. Фон зображення чорний. — Рисунок\(\PageIndex{7}\): Флуоресцентні барвники, поглинені цими ендотеліальними клітинами легеневої артерії великої рогатої худоби, випромінюють блискучі кольори при збудженні ультрафіолетовим світлом під Різні клітинні структури поглинають різні барвники. Ядра пофарбовані в синій колір з 4',6-діамідіно-2-феніліндолом (DAPI); мікротрубки позначені зеленим кольором антитілом, пов'язаним з FITC; а актинові нитки позначені червоним кольором з фаллоїдином, пов'язаним з тетраметилродаміном (TRITC).

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Який має більш високу частоту: червоне світло або зелене світло?
Поясніть, чому дисперсія виникає при проходженні білого світла через призму.
Чому флуоресцентні барвники випромінюють інший колір світла, ніж вони поглинають?

Збільшення, роздільна здатність і контрастність

Мікроскопи збільшують зображення і використовують властивості світла для створення корисних зображень дрібних об'єктів. Збільшення визначається як здатність об'єктива збільшувати зображення об'єкта в порівнянні з реальним об'єктом. Наприклад, збільшення 10означає, що зображення з'являється в 10 разів більше розміру об'єкта, як видно неозброєним оком.

Більше збільшення, як правило, покращує нашу здатність бачити деталі дрібних об'єктів, але лише збільшення недостатньо, щоб зробити найбільш корисні зображення. Часто корисно посилити роздільну здатність об'єктів: вміння сказати, що дві окремі точки або об'єкти є окремими. Зображення з низькою роздільною здатністю виглядає нечітким, тоді як зображення з високою роздільною здатністю виглядає різким. Два фактори впливають на роздільну здатність. Перший - довжина хвилі. Більш короткі довжини хвиль здатні вирішувати менші об'єкти; таким чином, електронний мікроскоп має набагато більшу роздільну здатність, ніж світловий мікроскоп, оскільки він використовує електронний промінь з дуже короткою довжиною хвилі, на відміну від довгохвильового видимого світла, що використовується світловим мікроскопом. Другий фактор, який впливає на роздільну здатність, - це числова діафрагма, яка є мірою здатності об'єктива збирати світло. Чим вище числова діафрагма, тим краще дозвіл.

Навіть коли мікроскоп має високу роздільну здатність, у багатьох зразках може бути важко відрізнити невеликі структури, оскільки мікроорганізми відносно прозорі. Часто необхідно збільшити контраст для виявлення різних структур у зразку. Різні типи мікроскопів використовують різні особливості світла або електронів для збільшення контрастності видимих відмінностей між частинами зразка (див. Інструменти мікроскопії). Крім того, барвники, які зв'язуються з деякими структурами, але не інші, можуть бути використані для поліпшення контрасту між зображеннями відносно прозорих об'єктів (див. Фарбування мікроскопічних зразків).

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Поясніть різницю між збільшенням і роздільною здатністю.
Поясніть різницю між роздільною здатністю і контрастністю.
Назвіть два фактори, що впливають на роздільну здатність.

Ключові поняття та резюме

Світлові хвилі, що взаємодіють з матеріалами, можуть відбиватися, поглинатися або передаватися в залежності від властивостей матеріалу.
Світлові хвилі можуть взаємодіяти один з одним (інтерференція) або спотворюватися взаємодіями з дрібними предметами або отворами (дифракція).
Заломлення відбувається, коли світлові хвилі змінюють швидкість і напрямок при переході від одного середовища до іншого. Відмінності показників заломлення двох матеріалів визначають величину спрямованих змін при переході світла від одного до іншого.
Лінза - це середовище з вигнутою поверхнею, яка заломлює і фокусує світло для отримання зображення.
Видиме світло є частиною електромагнітного спектра; світлові хвилі різної частоти і довжини хвиль розрізняються людським оком як кольори.
Призма може розділяти кольори білого світла (дисперсії), оскільки різні частоти світла мають різні показники заломлення для даного матеріалу.
Флуоресцентні барвники та фосфоресцентні матеріали можуть ефективно перетворювати невидиме електромагнітне випромінювання у видиме світло.
Потужність мікроскопа може бути описана з точки зору його збільшення і дозволу.
Дозвіл можна збільшити за рахунок скорочення довжини хвилі, збільшення числової діафрагми об'єктива або використання плям, що підсилюють контраст.

Глосарій

поглинання: коли молекула захоплює енергію від фотона і вібрує або розтягується, використовуючи енергію

амплітуда: висота хвилі

контраст: видимі відмінності між частинами мікроскопічного зразка

дифракція: зміна напрямку (згинання або поширення), що відбувається при взаємодії світлової хвилі з отвором або бар'єром

дисперсія: поділ світла різної частоти за рахунок різного ступеня заломлення

флуоресцентний: здатність певних матеріалів поглинати енергію, а потім негайно звільнити цю енергію у вигляді світла

фокусна відстань: відстань від об'єктива до точки зображення, коли об'єкт знаходиться на певній відстані від об'єктива (це також відстань до фокусної точки)

фокусна точка: властивість лінзи; точка зображення при попаданні світла в об'єктив паралельна (тобто об'єкт знаходиться на нескінченній відстані від об'єктива)

частоти: швидкість вібрації для світлової хвилі або іншої електромагнітної хвилі

точка зображення (фокус): властивість об'єктива і відстань об'єкта до об'єктива; точка, в якій зображення знаходиться у фокусі (точка зображення часто називають фокусом)
втручання: спотворення світлової хвилі внаслідок взаємодії з іншою хвилею
збільшення: потужність мікроскопа (або об'єктива) для отримання зображення, яке здається більшим, ніж фактичний зразок, виражений як фактор фактичного розміру
числова апертура: міра здатність об'єктива збирати світло
непрозорість: властивість поглинати або блокувати світло
фосфоресценції: здатність певних матеріалів поглинати енергію, а потім вивільнити цю енергію як світло після затримки
відображення: коли світло відскакує назад від поверхні
заломлення: вигин світлових хвиль, що виникає при переході світлової хвилі з одного середовища в іншу
показник заломлення: міра величини уповільнення світлових хвиль певним середовищем
резолюція: здатність розрізняти дві точки на зображенні
пропускання: кількість світла, яке проходить через середовище
прозорість: властивість пропускати світло
довжина хвилі: відстань між одним піком хвилі і наступним піком