Условие главных максимумов имеет вид

Если число зон нечетное, т.е.

, m=1,2,3

то наблюдается дифракционный максимум (светлая полоса).

В направлении j=0 наблюдается самый интенсивный центральный максимум нулевого порядка.

Распределение интенсивности на экране, полученное вследствие дифракции (дифракционный спектр) приведено на рис.1,б. Расчеты показывают, что интенсивности в центральном и последующем максимумах относятся как 1:0,045:0,016:0,008:-, т.е. основная часть световой энергии сосредоточена в центральном максимуме.

Углы, под которыми наблюдаются максимумы всех порядков, начиная с первого, зависят от длины волны света l. Поэтому, если щель освещать немонохроматическим светом, то максимумы, соответствующие разным длинам волн, будут наблюдаться под разными углами и, следовательно, будут пространственно разделены на экране. Получим дифракционный спектр, в отличие от призматического спектра

Дифракционная решетка - важнейший спектральный прибор, предназначенный для разложения света в спектр и измерения длин волн.

Она представляет собой плоскую стеклянную или металлическую поверхность, на которой нарезано очень много (до сотен тысяч) прямых равноотстоящих штрихов.

Рассмотрим простейшую идеализированную решетку, состоящую из N одинаковых равноотстоящих параллельных щелей, сделанных в непрозрачном экране. Ширину щели обозначим b, а ширину непрозрачных промежутков между щелями - а. Величина d=a+b называется периодом или постоянной дифракционной решетки. Лучшие решетки имеют d=0,8 мкм, т.е. 1200 штрихов на 1 мм.

Рис.2

На рис. 2а показано только несколько щелей. Дифракционная картина от решетки получается в результате дифракции на каждой щели и интерференции лучей, падающих от разных щелей. Главные максимумы соответствуют таким углам j, для которых колебания от всех N щелей складываются в фазе, т.е. Амакс=NAj, где Aj - амплитуда колебания, посылаемого одной щелью под углом j. Интенсивность максимума

Iмакс=N2 Ij

т.е. может превышать в сотни миллионов раз интенсивность

максимума, создаваемого одной щелью (для хороших решеток N достигает нескольких десятков тысяч).

dsinj=± ml, m=0,1,2…

Максимум нулевого порядка наблюдается при j=0, первого порядка при sinj=± l /d, второго порядка при sinj=±2l/d (см. рис.2,б)

Главные минимумы соответствуют таким углам j, в направлении которых ни одна из щелей не распространяет свет. Таким образом, условие главных минимумов выражает формула

bsinj=± ml, m=1,2,3

Первый главный минимум наблюдается при sinj=± l /b (см. рис.2б).

Кроме главных максимумов имеется большое число слабых побочных максимумов, разделенных дополнительными минимумами. На рис. 2б они изображены между главными максимумами.

Положение главных максимумов (кроме центрального) зависит от длины волныl (рис. 2б). Поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы ненулевого порядка, разложатся в спектр, фиолетовый конец которого обращен к центру дифракционной картины, а красный - наружу. Таким образом, дифракционная решетка представляет собой спектральный прибор.

32. Дифракция электромагнитных волн на пространственных структурах. Основы рентгеноструктурного анализа.

Дифракционную картину могут дать не только рассмотренные выше одномерные структуры, но также двумерные и трехмерные периодические структуры, например, кристаллические тела. Однако период кристаллических тел d мал, составляет единицы ангстрем (1 =10-4 мкм), т.е. значительно меньше длин волн видимого света (l»0,4-0,8 мкм). Поэтому для видимого света кристаллы являются однородной средой, и дифракция не наблюдается.

Рис.1

В то же время для значительно более коротковолнового рентгеновского излучения(l»10-9 - 10-11 м) кристаллы представляют собой естественные дифракционные решетки (рис.1).

Абсолютный показатель преломления всех сред для рентгеновского излучения близок к единице, поэтому оптическая разность хода между лучами 1- и 2-, отражающимися от кристаллографических плоскостей D=CD+DE=2dsinq, где

d - расстояние между плоскостями, в которых лежат узлы (атомы) кристаллической решетки,

q - угол скольжения лучей.

Условию интерференционных максимумов удовлетворяет формула Вульфа-Брэгга

2dsinq =±ml, m=1,2,3- (13)

где m - порядок дифракционного максимума.

Разрешающая способность оптических приборов

Вследствие дифракции света в оптическом приборе изображение светящейся точки имеет вид не точки, а светлого пятна, окруженного системой концентрических интерференционных колец. Это явление ограничивает разрешающую способность оптического прибора, т.е. его способность давать раздельное изображение двух близких друг к другу точек объекта.

Согласно критерию Рэлея, изображения двух одинаковых точечных источников света еще можно видеть раздельно, если центральный максимум дифракционной картины от одного источника совпадает с первым минимумом дифракционной картины от другого.

В этом случае угловое расстояние Dj≥ 1,22l/D,

где D - диаметр объектива.

33. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине.

Голография – метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн.

Голография позволяет фиксировать и воспроизводить более полные сведения об объекте с учётом амплитуд и фаз волн, рассеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интерференции волн. С этой целью на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны: опорную, идущую непосредственно от источника света или зеркал, которые используют как вспомогательные устройства, и сигнальную, которая появляется при рассеянии (отражении) части опорной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нём.

Голография (от греч. holos grapho – полная запись) – особый способ записи информации. В 1948 г. английский физик (венгр по национальности) Денис Габор высказал идею принципиально нового метода получения объемных изображений объектов. Он предложил регистрировать с помощью фотопластинки не только амплитуды и интенсивности, как с помощью обычной фотографии, но и фазы рассеянных объектом волн, воспользовавшись для этого явлением интерференции волн. Это позволяет избавиться от потери информации при фиксировании оптических изображений. Однако, практическое применение этот способ нашел только после изобретения лазеров – источников света высокой степени когерентности (временнόй и пространственной). В 1963 г. были получены первые лазерные голограммы.

Рассмотрим элементарный способ получения голограмм на толстослойной эмульсии (простейшая голографическая схема изображена на рис. 1. (BS – светоделитель, M1–M3 – глухие зеркала, L –короткофокусная линза, C – коллиматор, H – голограма)).

Рис.1.

Испускаемый лазером луч, расширяется и делится на две части. Одна часть падает на фотопластинку, отразившись от зеркала (опорный луч), другая часть отражается от предмета (предметный луч). Оба пучка лучей должны быть когерентными. Опорный и предметный лучи складываются на фотопластинке, образуя интерференционную картину. Там, где максимумы интенсивности, эмульсия засвечивается сильнее, где минимумы – слабее.

Для восстановления изображения проявленную фотопластинку помещают в то самое место, в котором она находилась при фотографировании, и освещают опорным пучком света (часть лазерного пучка, которая освещала предмет, перекрывается). Опорный пучок дифрагирует на голограмме, в результате возникает волна точно такая же, как волна, отраженная предметом. Эта волна дает мнимое изображение предмета, которое воспринимается глазом наблюдателя.

Необходимо отметить, что обычная фотопластинка фиксирует только интенсивность, а голограмма – зависимость интенсивности от фазы.

Голограммы обладают следующими особенностями, отличающими их от фотографий.

· Голограмма дает объемное изображение.

· Голограмму можно разбить, и каждый осколок даст изображение. Объясняется это тем, что каждая точка пластинки при экспонировании подвергается действию волн, отраженных от всех точек предмета. При отделении части голограммы, уменьшается число «штрихов» своеобразной дифракционной решетки. Поэтому уменьшается разрешающая способность и интенсивность изображения при восстановлении, но картинка сохраняется.

· При воспроизведении изображения возможно его увеличение или уменьшение. Для увеличения необходимо при воспроизведении использовать излучение с большей частотой, чем при экспозиции. В этом случае масштаб увеличения можно определить по формуле.

· Цветные голограммы получают на толстослойных эмульсиях. При этом экспозиция проводится несколько раз с монохроматическим излучением. На голограмме фиксируется не плоская, а пространственная интерференционная картина и формируется пространственная решетка. Для воспроизведения голограмму освещают белым светом, и максимумы волн различной длины располагаются в различных точках пространства, формируя объемное цветное изображение, парящее в пространстве.

34. Поляризация света. Свет естественный и плоскополяризованный. Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляризационные устройства.

Плоскость, в которой лежит вектор Е и луч Q, называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная к ней плоскость, в которой лежит вектор скорости pаспpостpанения света, называется плоскостью поляризации (рис.1.) Для описания явлений поляризации достаточно иметь в виду какую-нибудь одну плоскость. Мы остановимся на плоскости колебаний. Плоскополяризованный свет имеет еще одну характеристику: расположение плоскости колебаний в пpостpанстве.

Если конец вектора Е в плоскости К, пеpпендикуляpной к лучу, описывает эллипс или окружность, то свет соответственно называется поляризованным по эллипсу или по кругу. Волну, поляризованную по эллипсу или по кругу, можно разложить различными способами на две плоскополяризованные волны (по оси х и по оси y) (рис.2.).

Если конец вектора Е в плоскости К описывает беспорядочные колебания, т. е. плоскость колебаний постоянно и беспорядочно меняется, то свет называется естественным или неполяризованным (рис. 3.).

Естественные источники света излучают именно такой, неполяpизованный свет. Это ясно из того, что свет от обычных источников излучается отдельными атомами. Каждый атом излучает плоскополяpизованные волны, но плоскости их колебаний никак не согласованы между собой. Суммаpный свет получается сложным, неполяpизованным.

Наконец, можно создать частично поляpизованный свет, в котоpом не все плоскости колебаний одинаково пpедставлены, а имеется некотоpая выделенность одних колебаний пеpед дpугими (рис.4).

Неполяpизованный или частично поляpизованный свет, так же как и поляpизованный по эллипсу, можно pазложить на два плоскополяpизованных луча. Этим обстоятельством на пpактике шиpоко пользуются для создания плоскополяpизованного света.

Пpинцип такого пpоцесса напpашивается сам собой: нужно создать пpибоp, котоpый бы одну из составляющих плоскополяpизованных волн естественного света задеpживал, а дpугую - пpопускал. Ниже будет pассмотpено несколько пpибоpов, основанных на этом пpинципе.

Когда дело имеют с поляpизационными явлениями, то обычно пpиходится pешать два вопpоса: как создать поляpизованный свет и как заpегистpиpовать его поляpизацию. Пpибоp для pешения пеpвой задачи называется поляpизатоpом, для pешения втоpой - анализатоpом. Как пpавило, поляpизатоp и анализатоp взаимозаменяемы.

Приведем примеры поляpизатоpов:

Существуют кристаллы, в которых плоскополяризованный свет поглощается существенно по-pазному в зависимости от pасположения плоскости колебаний: пpи опpеделенном pасположении этой плоскости поглощение слабое, а пpи pасположении, пеpпендикуляpном к пеpвому, наобоpот, поглощение очень сильное. В пpомежуточных положениях плоскости колебаний поглощение света постепенно меняется от максимума до минимума. Вещества с такими свойствами называются дихpоичными. К таким веществам, в частности, относится кpисталл туpмалина. Пластинка из туpмалина даже толщиной 1-2 мм может служить поляpизатоpом и анализатоpом.

Дpугим пpимеpом поляpизатоpа может служить поляpоид - искусственно пpиготовленная пленка, обладающая также свойством дихpоичности (кpисталлики из геpопатита, вводимые в желатин или целлюлозу). Поляpоиды обычно дают лишь частично поляpизованный свет, степень поляpизации котоpого не очень велика.

Поляpизованный свет можно получить, используя отpажение или пpеломление света от обычных неизотpопных сpед (напpимеp, от стекла). Оказывается, отpаженный и пpеломленный свет частично поляpизован. Степень поляpизации того и дpугого луча существенно зависит от угла падения луча. Плоскости колебаний отpаженного и пpеломленного лучей взаимно пеpпендикуляpны: у отpаженного луча она совпадает с плоскостью падения, у пpеломленного - ей пеpпендикуляpна. Существует угол падения (у каждой паpы пpозpачных сpед он свой), пpи котоpом отpаженный свет становится полностью плоскополяpизованным (степeнь поляpизации pавна единице), а пpеломленный луч остается частично поляpизованным. Степень его поляpизации пpи этом углe максимальна. Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Бpюстеpа опpеделяется из условия tgi_в =n (закон Брюстера)

(n – относительный показатель преломления диэлектриков), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис. 5). Преломленный же луч при угле падения iB поляризуется максимально, но не полностью.

Рис. 5

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (tgi_B = sini_B/cosi_B,

n = sini_B / sini₂ (i₂ - угол преломления), откуда cosi_B = sini₂). Следовательно,

i_B – i₂ = p/2, но iсb = i_B (закон отражения), поэтому i'_B + i₂ = p/2.

Степень поляризации отраженного и преломленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электромагнитного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков (так называемые формулы Френеля).

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, например, для стекла (n = 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.

Свет, падающий на кpисталл, пpеломляясь, создает не один пpеломленный луч, как в изотpопных сpедах, а два, идущие в pазличных напpавлениях (pис. 6). В этом и состоит само явление, именуемое двойным лучепpеломлением. Если чеpез такой кpисталл посмотpеть на окpужающие пpедметы, то каждый пpедмет будет pаздваиваться.

Рис. 6

Особенностью двойного лучепpеломления является то, что один из пpеломленных лучей подчиняется закону пpеломления (его показатель пpеломления не зависит от угла падения, и лучи, падающий и пpеломленный, лежат в одной плоскости с пеpпендикуляpом, восстановленным к отpажающей плоскости в точке падения). Дpугой луч этому закону не подчиняется. Оба пpеломленных луча плоскополяpизованны, и их плоскости колебаний взаимно пеpпендикуляpны.

Двойное лучепpеломление позволяет постpоить совеpшенные поляpизатоpы. Рассмотpим один из ваpиантов такого поляpизатоpа под названием пpизмы Николя. Пpизма Николя (сокpащенно - николь) состоит из двух пpямоугольных пpизм из исландского шпата. Углы пpизм pавны 68 и 22. Пpизмы склеены слоем канадского бальзама (pис. 7.) Оптическая ось лежит в плоскости чеpтежа под углом 48 к гpани пpизмы. Падающий луч pазбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е). Пеpвый сильнее пpеломляется, чем второй, и на границе исландский шпат - канадский бальзам испытывает полное внутpеннее отражение, т.е. целиком отклоняется в стоpону. Только необыкновенный луч проходит призму. На выходе пpизмы получаем плоскополяpизованный луч (втоpая пpизма в николе имеет вспомогательное значение: она лишь спpямляет обpазованный плоскополяpизованный луч).

Рис.7

35. Вращение плоскости поляризации оптичски активными веществами. Поляриметрия (сахарометрия) и спектрополяриметрия. Поляризационный микроскоп.

Некоторые вещества (например, из твердых тел - кварц, сахар, киноварь, из жидкостей - водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте (рис. 1).

рис.1

Если между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения анализатора просветляется. При повороте анализатора на некоторый угол j можно вновь получить темное поле зрения. Угол j и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Так как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество, является плоскополяризованным.

Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

для оптически активных растворов

где d - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе,

a ([a]) - так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации - для растворов),

С - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м3. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

Опыт показывает, что все вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако если вещества активны в кристаллическом состоянии, то не всегда активны в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, оптическая активность обусловливается как строением молекул вещества (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающне. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором - влево (против часовой стрелки). Вращение плоскости поляризации объяснено О. Френелем (1817 г.). Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

Явление вращения плоскости поляризации и, в частности, формула (196.1) лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). Для этого используется установка, показанная на рис.1. По найденному углу поворота плоскости поляризации j и известному значению [a] находится концентрация растворенного вещества.

Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено вращение плоскости поляризации в оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Это явление получило название эффекта Фарадея (или магнитного вращения плоскости поляризации). Оно имело огромное значение для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

36. Волоконная оптика ее использование в медицинских приборах. Эндоскоп с волоконной оптикой.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по светопроводам.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок (порядка 0,9999), то потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна.

Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты)- световоды.

В медицине световоды используют для решения двух задач: передачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей, и передачи изображения. Для первого случая не имеет значения положение отдельных волокон в световоде, для второго существенно, чтобы расположение волокон на входе и выходе световода было одинаковым.

Примером влияния волоконной оптики на модернизацию существующих медицинских аппаратов является эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.). Он состоит из двух основных частей: источника света и смотровой части. Используя волоконную оптику, удалось, во-первых, свет от лампочки передавать внутрь органа по световоду, тем самым избегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндоскопах прежней конструкции; во-вторых, что самое главное, гибкость волоконно-оптических систем допускает осмотр большей части полостей, чем жёсткие эндоскопы.

С помощью световодов предполагается передача лазерного излучения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

43. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект). Закон ослабления потока излучения. Физические основы рентгеноскопии, графии(флюрографиии), томографии, терапии.

Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Нагретый катод испускает электроны. Анод называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки.

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.

С движущимся электрическим зарядом связно магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют также и сплошным.

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое – мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, и увеличивают жесткость.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению.

Он возникает вследствие того, что ускоренное электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения.

Закон Мозли:

где v – частота спектральной линии; Z – атомный номер испускающего элемента; A и B – постоянные.

Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием и для названия характеристическое.

Дата добавления: 2014-01-04