Optické metody

Optické metody
• Soubor fyzikálních metod
• Společný mechanismus – interakce hmoty a
elektromagnetického záření
• Dělení:
• Metody spektroskopické – adsorpce či emise záření
• Metody nespektroskopické – změna vlastností při průchodu světla
• Objektivní – fotografiský aparát, promítače, zvětšování
• Subjektivní – brýle, lupa, mikroskop, dalekohled atd.
• Rozdělení optických metod
Elektromagnetické záření
• kombinace příčného postupného vlnění magnetického a
elektrického pole tedy elektromagnetického pole
• Elektromagnetickým zářením se zabývá obor fyziky nazvaný
elektrodynamika, což je podobor elektromagnetismu
• Infračerveným zářením, viditelným světlem a ultrafialovým
zářením se zabývá optika.
• Na elektromagnetické záření se stejně jako na cokoliv jiného dá
nahlížet jako na vlnu nebo proud částic (fotonů)
Část viditelného spektra
Druhy elektromagnetického záření
Elektromagnetické záření se rozděluje podle vlnových délek:
•
Rádiové vlny
o Dlouhé vlny
o Střední vlny
o Krátké vlny
o Velmi krátké vlny
o Ultra krátké vlny
o Centimetrové vlny a kratší, také nazývané mikrovlnné záření
•
Infračervené záření
•
Viditelné světlo
•
Ultrafialové záření
•
Rentgenové záření
•
Gama záření
Příklady spekter:
a) spojité spektrum
b) čárové (emisní) spektrum
c) pásové spektrum
d) absorpční čárové spektrum
Barva
Vlnová délka
Frekvence
červená
~ 625 až 740 nm
~ 480 až 405 THz
oranžová
~ 590 až 625 nm
~ 510 až 480 THz
žlutá
~ 565 až 590 nm
~ 530 až 510 THz
zelená
~ 520 až 565 nm
~ 580 až 530 THz
azurová
~ 500 až 520 nm
~ 600 až 580 THz
modrá
~ 430 až 500 nm
~ 700 až 600 THz
fialová
~ 380 až 430 nm
~ 790 až 700 THz
Lupa
•
optický systém používaný na optické zvětšení pozorovaného předmětu,
který je dostatečně malý a nachází se v blízkosti pozorovatele.
•
Skládá se ze spojné čočky, vyrobené typicky ze skla nebo průhledného
plastu a držátka, které může mít mnoho různých podob, od prosté tyčky,
za kterou lze lupu držet, přes různé stojany, až po pouzdra, do kterých lze
lupu zároveň uschovat.
•
Princip:
a) Pozorování předmětu bez lupy, kde α označuje zorný úhel.
b) Pozorování stejného předmětu s lupou. Zorný úhel α´ je větší než úhel α při
pozorování bez lupy.
Dalekohled
•
přístroj sloužící k optickému přiblížení pomocí soustavy čoček nebo i zrcadel.
•
Dělí se na reflektory, jejichž objektiv je tvořen zrcadlem a refraktory, jejichž objektiv je tvořen
jednou čočkou, nebo jejich soustavou.
•
První dalekohled si 2. října 1608 nechal patentovat holandský optik Hans Lippershey. Jeho
poznatky použil již o rok později známý italský vědec Galileo Galilei a pomocí zdokonaleného
dalekohledu za použití spojky a rozptylky učinil plno převratných objevů, jako jsou Jupiterovy
měsíce nebo skvrny na Slunci. Bohužel při pozorování Slunce si nechránil zrak a později oslepl.
•
Dále přispěl ke zdokonalení dalekohledu Johannes Kepler který vytvořil první dalekohled pomocí
dvou spojek. Získal tak sice převrácený, ale ostřejší obraz.
•
Také Isaac Newton přispěl ke zdokonalení dalekohledu, když při konstrukci použil zrcadlo a zbavil
se tak běžné vady dalekohledů a to barevného rozkladu světla.
•
Moderní triedr používá soustavu čoček a hranolů.
•
Největším dalekohledem na světě je v současné době jihoafrický SALT.
Optický mikroskop
• česky též drobnohled
• optický přístroj pro zobrazení malého
sledovaného objektu ve větším zvětšení
• Pod označením mikroskop je obvykle
myšlen optický mikroskop
• pro zobrazení využívá světelných paprsků
Historie
• Podle některých zdrojů první drobnohled sestavil v roce 1590 v
Holandsku Zacharias Jansen.
• V roce 1610 se na základě Jansenovy konstrukce mikroskopií
zabýval Galileo Galilei.
• Jeden z jednoduchých mikroskopů sestavil v roce 1676 holandský
obchodník a vědec Anton van Leeuwenhoek, jehož práce patřily
k vrcholům mikroskopického pozorování 17. století.
• Významné bylo dílo Roberta Hooka Micrographia, v němž popsal
v roce 1665 konstrukci mikroskopu s odděleným objektivem,
okulárem a osvětlovacím zařízením.
• Jako první zahájila výrobu mikroskopů firma Carl Zeiss v roce
1847.
Popis mikroskopu
•
Čočky - tvoří objektiv a okulár (často výměnné)
•
Jednoduchý mikroskop složen ze dvou spojných soustav
čoček, které mají společnou optickou osu:
•
Objektiv - malá ohnisková vzdálenost (řádově v
milimetrech)
–
•
Pozorovaný předmět se umisťuje blízko před předmětové
ohnisko, takže vzniká skutečný, zvětšený a převrácený obraz.
Tento obraz vzniká mezi druhou částí mikroskopu, tzv.
okulárem, a jeho předmětovým ohniskem.
–
Vzniklý obraz pak pozorujeme okulárem podobně jako lupou,
čímž získáváme další zvětšení.
–
Ohnisková vzdálenost okuláru se pohybuje v řádech
centimetrů. Obrazové ohnisko objektivu a předmětové
ohnisko okuláru nesplývají, ale jsou od sebe vzdáleny o
hodnotu optického intervalu, jehož hodnota se u mikroskopu
pohybuje mezi 15 cm a 20 cm.
Pro úhlové zvětšení mikroskopu platí
vztah
Grafická konstrukce optického zobrazení
mikroskopem.
kde γ a γ0 označuje zvětšení objektivu
a okuláru, f je obrazová ohnisková
vzdálenost objektivu, f0 je
předmětová ohnisková vzdálenost
okuláru, Δ je optický interval
mikroskopu a d je konvenční zraková
vzdálenost.
Optickým mikroskopem se běžně
dosahuje zvětšení 50× až 1000×.
Maximální teoretické zvětšení je asi
2000× a to již naráží na fyzikální
bariéry kvůli omezení délky
světelných vln.
Elektronová mikroskopie
• Elektronový mikroskop - obdobou optického mikroskopu, kde jsou
fotony nahrazeny elektrony a optické čočky elektromagnetickými
čočkami, což je vlastně vhodně tvarované magnetické pole.
• Využívá se toho, že vlnové délky urychlených elektronů jsou o
mnoho řádů menší než fotonů viditelného světla. Proto má
elektronový mikroskop mnohem vyšší rozlišovací schopnost a
může tak dosáhnout mnohem vyššího zvětšení (až 1 000 000×).
• Jeho vynálezce Ernst Ruska obdržel za svůj objev Nobelovu
cenu.
• Preparáty - ultratenké řezy (30-60 nm), výbrusy
Typy
• transmisní elektronový mikroskop (TEM) nepohyblivý elektronový svazek, detekce
elektronů prošlých vzorkem (TE) na
fluorescenčním stínítku nebo detektorem.
• rastrovací elektronový mikroskop (SEM) pohyblivý svazek, zobrazení povrchu vzorku
pomocí sekundárních elektronů (SE), odražených
elektronů (BE), případně signálu z jiných
detektorů.
Detektory SEM
• SE detektor - detektor sekundárních elektronů
• BSE detektor - detektor odražených elektronů
• TE detektor - detektor prošlých elektronů
• EDX / WDX mikroanalýza- detekce RTG záření,
rentgenová spektroskopie
• EBSD - difrakce odražených elektronů
(kanálovací efekt)
Konfokální mikroskop
•
druh optického mikroskopu, výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny
mikroskopu, tzv. konfokál.
•
Známy jsou tyto typy mikroskopu:
–
rastrující konfokální mikroskop - skenující zařízení zařizuje posun ohniska excitujícího laserového paprsku
–
konfokální mikroskop s rotujícím diskem - místo skenujícího zařízení obsahuje rotující Nipkowovův kotouč, na kterém je
mnoho navzájem oddělených clonek
•
Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu:
•
Laserový paprsek (intenzivní bodový zdroj světla) je fokusován na clonku, dále prochází objektivem až na vzorek, kde
je obraz clonky fokusován do bodu, jehož průměr odpovídá difrakční mezi (rozlišovací mez).
•
Přes stejný objektiv jde zpětně i světlo na vzorku odražené či rozptýlené, případně fluorescence. Sekundární světlo
putující zpět prochází opět clonkou, jejichž bodový obraz je s pomocí děliče paprsků lokalizován před fotonásobič,
kde.je umístěna druhá konfokální bodová clonka, která filtruje světlo pocházející z oblasti mimo ohniskovou rovinu
mikroskopu.
•
Obraz celé zaostřené roviny lze pak získat rastrováním bod po bodu některým z těchto postupů:
•
–
rozmítání laserového paprsku
–
příčný posuv vzorku před objektivem
–
posuv objektivu nad vzorkem.
Rozlišovací schopnost:
–
Při použití objektivu o NA (numerická apertura) cca 1,3 a s využitím modrozelené čáry Ar laseru (λ = 488 nm) by odpovídala
tloušťka optických řezů asi 0,4 mikrometru.
–
Dále při maximálním průměru konfokální clonky odpovídajícímu 1/4 průměru centrálního maxima Airyho kroužku, lze tvrdit,
že rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu je přibližně 1,4x lepší než klasického mikroskopu o téže NA objektivu.
Polarizační mikroskop
•
řídí se Biotovými zákony:
–
–
–
–
Velikost
Velikost
Velikost
Velikost
stočení polarizační roviny je úměrná vzdálenosti, kterou světlo v látce urazilo.
pravotočivého a levotočivého stočení stejné látky se odlišuje pouze znaménkem.
stočení způsobené několika vrstvami látky se algebraicky sčítá.
stočení klesá s rostoucí vlnovou délkou světla úměrně druhé mocnině.
•
V dnešní době má uplatnění především v mineralogii, biologické aplikace po zavedení
elektronové mikroskopie ztratily na významu.
•
Vedle ultramikroskopu bylo použití polarizačního mikroskopu základem tzv.
submikroskopické morfologie protoplasmy.
•
Použití:
•
V biologii se používá v případech, kdy je potřeba vyloučit chyby vzniklé dvojlomem,
při některých cytofotometrických experimentech či v patologii.
•
Ve forenzní chemii se polarizační mikroskop používá k podrobnějšímu zkoumání,
především vláken a vlasů.
Mikroskopie atomárních sil
•
(AFM z anglického atomic force microscopy) - mikroskopická technika,
která se používá k trojrozměrnému zobrazování povrchů.
•
Prvně ji realizovali v roce 1986 a Binnig, Quate Gerber.
•
Obraz povrchu se zde sestavuje postupně, bod po bodu.
•
Metoda dosahuje velmi vysokého rozlišení – může zobrazovat i atomy.
•
Techniku AFM lze použít nejen k zobrazování, ale také k tvorbě struktur či
zpracování povrchů v nanometrové oblasti.
•
V principu je AFM podobná metoda jako tunelová mikroskopie.
•
K detekci však neslouží elektrický proud, ale vzájemná meziatomová
přitažlivost. Detekuje se pohyb zkoumacího hrotu při průchodu nad
vzorkem. Umí zobrazovat i nevodivé vzorky.
•
Nazývá se někdy také SFM (scanning force microscopy).
Popis metody
•
Základem AFM je velmi ostrý hrot, který je upevněn na ohebném nosníku (angl. cantilever, tento
termín se používá i v čestině). Hrot je mírně vtlačován do vzorku a následkem působících sil je
nosník ohnutý, v souladu s Hookovým zákonem. Během měření se hrot pohybuje po povrchu
vzorku v pravidelném rastru (skenuje) tak, že výška druhého konce nosníku je konstantní. Je-li
povrch vzorku nerovný, má nosník v různých místech vzorku různou velikost ohnutí a sledováním
závislosti ohnutí na poloze na vzorku můžeme sestavit zvětšený obraz vzorku.
•
Předchozí způsob měření však vede k poškození hrotu, pokud by nerovnost vzorku byla příliš velká.
Proto se častěji používá režim využívající zpětné vazby, tzv. režim s konstantním ohnutím, ve
kterém se v každém bodě rastru porovná současná hodnota ohnutí s přednastavenou hodnotou, a
pokud se liší, nosník s hrotem se přiblíží nebo oddálí od vzorku o takovou vzdálenost z, aby se
hodnota ohnutí opět shodovala s přednastavenou hodnotou. Místo velikosti ohnutí se pak k
sestavení obrazu použijí hodnoty z. Konstantní hodnota ohnutí zároveň znamená, že na vzorek
působí konstantní síla. Uvedený režim může zobrazovat i drsnější vzorky, ale je pomalejší (sběr
obrázku trvá delší dobu).
•
Oba uvedené režimy, tzv. kontaktní, však mohou vést k poškození vzorku, protože během
přesunu z jednoho bodu do druhého působí mezi hrotem a vzorkem velké třecí síly. Proto se
používají tzv. bezkontaktní režimy, v nichž není mezi hrotem a vzorkem přímý mechanický kontakt.
Hrot a vzorek na sebe působí především skrze van der Waalsovu sílu. Protože tato síla je velmi
malá, provozuje se bezkontaktní režim tak, že je nosník rozkmitáván a místo jeho ohnutí se měří
velikost amplitudy. Protože velikost amplitudy závisí na vzdálenosti mezi hrotem a vzorkem, lze
sledováním změn amplitudy sestavit obraz povrchu vzorku.
Přesnost
•
podmíněna přesností udržování polohy hrotu, přesností jeho pohybu a
schopností detekce ohnutí.
•
Pro pohybování hrotem se používají výhradně piezoelektrické skenery,
které jsou schopny realizovat pohyby menší než desetina nanometru.
•
Aby bylo možno udržet přesnou polohu hrotu, staví se mikroskopy AFM
mechanicky velmi pevné a bývají umístěny na antivibračních stolech.
•
Detekce ohnutí nosníku se provádí nejčastěji pomocí laseru. Laserový
svazek z laserové diody se nechá dopadat na nosník, od něho se odráží
podle zákona odrazu a dopadá na fotodetektor.
•
Změní-li se ohnutí nosníku, změní se i úhel dopadu svazku na nosník a
proto svazek dopadne do jiného místa fotodetektoru. Bude-li fotodetektor
citlivý na místo dopadu svazku, může se z jeho výstupu určit ohnutí
nosníku.
Vlastnosti
•
AFM může zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu
(vzorek vyžaduje fixaci, nemůže například plavat v roztoku).
•
Ve srovnání s optickou mikroskopií však dosahuje značně většího rozlišení, které
je srovnatelné s rozlišením elektronové mikroskopie.
•
AFM však poskytuje trojrozměrný obraz, kdežto elektronová mikroskopie
dvojrozměrnou projekci.
•
AFM zpravidla nevyžaduje, aby se vzorek speciálně připravoval (např.
pokovením) ani nevyžaduje vysoké vakuum.
•
AFM může dokonce pracovat v kapalném prostředí, což je výhodné především
pro studium biologických vzorků, které mohou být při zobrazování ve svém
fyziologickém prostředí a lze v některých případech sledovat jejich funkci nebo reakci
na změnu prostředí (změna pH, teploty, chemického složení).
•
Nevýhodou AFM je velmi omezený rozsah velikosti obrázku a pomalost
snímání. Maximální velikost obrazu bývá řádově stovky mikrometrů a sestavení
jednoho obrazu trvá řádově minuty.
•
Dále je v AFM omezen i vertikální rozsah (maximální výška vzorku), který bývá
typicky desítky mikrometrů. Problémy způsobuje také blízkost hrotu a vzorku (silná
interakce, možnost zachycení hrotu, znečištění hrotu, poškození vzorku) a nenulová
šířka hrotu, která vede k deformaci obrazu.
Refraktometr
• Slouží k měření indexu lomu
• Pomocí lomu světla
• Pomocí interference světla
Index lomu
•
bezrozměrná fyzikální veličina popisující šíření světla a všeobecně elektromagnetického záření v látkách
•
V nejjednodušším případě – pro průhledné a čiré látky – lze index lomu n považovat za konstantu, vztahující se k
celému rozsahu viditelného světla.
•
V tom případě je index lomu vždy větší než 1 a rychlost šíření světla v dané látce v je určena vztahem
•
kde c je rychlost světla ve vakuu. Takto definovaný index lomu se označuje jako absolutní index lomu.
•
Pro přechod mezi z prostředí s indexem lomu n1 do prostředí s indexem lomu n2 se často používá relativní index lomu
n21, který je definován jako:
•
Pro přechod vlnění opačným směrem je index lomu
•
Pomocí absolutního indexu lomu lze psát
•
kde v1 je rychlost šíření vln v prvním prostředí (s indexem lomu n1) a v2 je rychlost šíření ve druhém prostředí (s
indexem lomu n2).
•
Na rovinném rozhraní dvou látek s různými indexy lomu dochází k lomu světla dle Snellova zákona.
Absolutní index lomu některých látek
Látka
vakuum
vzduch (normální tlak)
led
voda
etanol
sklo
sůl
safír
diamant
index lomu
1
1,0003
1,31
1,33
1,36
1,5 až 1,9
1,52
1,77
2,42
Interference světla
• vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetání jevů či
hmoty.
• Nejčastěji se jedná o charakteristickou vlastnost vln.
• Při jejich pohybu a prolínání se v určitém bodě vzájemně
zesilují, zatímco v jiných bodech vzájemně ruší.
• Tyto jevy se zobrazují pomocí interferenčního obrazu
(interferenčního obrazce), kde je vidět střídající se projevy
zesilování a zeslabování.
Příklad interference rovinných vln.
Příklad kruhových vln.
Spektrální přístroje
•
umožňují oddělení světla o určité vlnové délce (tedy určité barvy
světla) a následné zkoumání vlastností světla i jeho zdroje.
•
Při zkoumání se využívá lomu, ohybu nebo interference světla.
•
Spektrální přístroje, které jsou vybaveny dalekohledem, a umožňují
subjektivní pozorování, se nazývají spektrometry.
•
Přístroje se záznamovým zařízením jsou označovány jako spektrografy.
•
Ke spektrální analýze slouží také různé druhy optických hranolů, či
spektroskopů, jejichž konstrukce je podobná spektrometrům.
Totální reflexe na hranolu.
Interferenční přístroje
• Interferometry využívají
interference světla, a to
především k velmi přesnému
měření vzdáleností.
• Přesné interferometry
využívají zdrojů koherentního
záření, tzv. laseru.
• Interferometry však slouží
také např. ke zjišťování
koncentrace metanu v dolech
apod.
Konstrukce Laseru:
1. Aktivní prostředí
2. Zdroj záření
3. Odrazné zrcadlo
4. Polopropustné zrcadlo
5. Laserový paprsek
Fotometrické přístroje
• Fotometrické přístroje slouží ke zjišťování
fotometrických veličin (svítivost zdroje,
světelný tok, světelnou energii nebo osvětlení),
především intenzity světla.
• Podle hodnot intenzity dopadajícího, odraženého
či prošlého světla lze určit některé vlastnosti
zkoumané látky.