Интерференционный микроскоп используется в биологии для измерения и интерференционной микроскопии

Содержание

Материал из m-protect.ru
Интерферометры и их применение. Интерференционный микроскоп.
Явление дифракции. Принцип Гюгенса – Френеля. Дифракция на щели в параллельных лучах.
Интерференция света. Когерентность. Интерферометры и их применение. Интерференционный микроскоп
Понятие об интерференционном микроскопе
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
Смотреть что такое «ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ» в других словарях:

Материал из m-protect.ru

Рис.1 Блок-схема автоматизированного интерференционного микроскопа.

Рис. 2 Автоматизированный интерференционный микроскоп

1- автоматизированный двухкоординатный предметный стол;

2 — опорное зеркало на пьезоэлементе;

3,5 — ПЗС-камеры;

4 — микроинтерферометр МИИ-4;

6 — лазерный осветитель с низкой пространственной когерентностью.

Интерференционная микроскопия
, метод исследования структуры различных, главным образом биологических, объектов и измерения их сухой массы, толщины и показателя преломления. Интерференционная микроскопия основана на интерференции света и осуществляется с помощью интерференционного микроскопа.

Метод интерференционного контраста (интерференционная микроскопия) состоит в том, что каждый луч раздваивается, входя в микроскоп. Один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, другой — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви микроскопа. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой.
Опишем схему одного из способов осуществления интерференционного контраста. Конденсор и объектив снабжены двоякопреломляющими пластинками, из которых первая расщепляет исходный световой луч на два луча, а вторая воссоединяет их. Один из лучей, проходя через объект, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом). Величина этого запаздывания измеряется компенсатором. Можно сказать, что метод интерференционного контраста сходен с методом фазового контраста — они оба основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших её. Как и фазово-контрастная микроскопия, этот метод дает возможность наблюдать прозрачные и бесцветные объекты, но их изображения могут быть и разноцветными (интерференционные цвета). Оба метода пригодны для изучения живых тканей и клеток и применяются во многих случаях именно с этой целью. Главное отличие интерференционной микроскопии от метода фазового контраста – это возможность, используя компенсаторы, с высокой точностью (до 1/300) измерять разности хода, вносимые микрообъектами. Это дает широкие возможности количественных исследований — на основании таких измерений могут быть рассчитаны общая масса и концентрация сухого вещества в микрообъекте (например, в растительной или животной клетке), показатель преломления и размеры объекта. Метод интерференционного контраста часто применяют совместно с другими методами микроскопии, в частности с наблюдением в поляризованном свете. Его применение в сочетании с микроскопией в ультрафиолетовых лучах позволяет, к примеру, определить содержание нуклеиновых кислот в общей сухой массе объекта. К интерференционной микроскопии относятся также методы использования микроинтерферометров.

Интерферометрами
называются измерительные или контрольные приборы, основанные на интерференции света. Они применяются в области точных измерений, например, для измерения длин волн спектральных линий, эталонов длины и т.д.

Интерференционным
называют такой микроскоп
, в котором свет разделяют на две части: одна часть проходит через объект, а другая – через окружающую среду. В связи с разницей показателей преломления объекта и среды лучи приобретают разность хода. Перед окуляром они вновь соединяются и интерферируют между собой. В результате между объектом и средой образуется световой контраст при монохроматическом свете или объект наблюдается окрашенным при освещении его белым светом.

На рисунке 2 изображена принципиальная схема интерферометра Майкельсона, который относится к группе двухлучевых, так как световая волна в нем раздваивается и обе ее части, пройдя разный путь интерферируют.

Луч 1 монохроматического света от источника S падает под углом 45 ⁰
на плоскопараллельную стеклянную пластинку А, задняя поверхность которой полупрозрачна, так как покрыта очень тонким слоем серебра. В точке О этот луч расщепляется на два луча 2 и 3, интенсивность которых приблизительно одинакова.

Луч 2 доходит до зеркала 1, отражается, преломляется в пластине А и частично выходит из пластины — луч 2`. Луч 3 из точки О идет к зеркалу ïï, отражается, возвращается к пластине А, где частично отражается — луч 3′. Лучи 2`.и 3′., попадающие в глаз наблюдателя, когерентны, их интерференция может быть зарегистрирована.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, получившее название интерференционного микроскопа
, используют в биологии и медицине для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов. Принципиальная схема интерференционного микроскопа показана на рисунке 3. Луч света, как и в интерферометре, в точке А раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М, а другой — вне его. В точке Д лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре
.

88. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля.

Дифракцией света
называют явление отклонения света от прямолинейного распространения. Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны и размеров неоднородностей.

Принцип Гюйгенса — Френеля.
Согласно Гюйгенсу: каждая точка волновой поверхности, которой достигла в этот момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени. Френель дополнил это положение Гюйгенса, введя представлением о когерентности вторичных волн и их интерференции
. В таком обобщенном виде эти идеи получили название принципа Гюйгенса — Френеля. Для того, чтобы определить результат дифракции в некоторой точке пространства, следует рассчитать согласно принципу Гюйгенса — Френеля, интерференцию вторичных волн, попавших в эту точку от волновой поверхности

Соотношение между шириной щели и длиной волны на возможность наблюдения дифракционной картины для первых минимумов, которые ограничивают центральную светлую полосу имеет вид: sin a = ± l/ а,
где а –ширина щели, a
— угол образованный направлением падающего пучка и нормалью к решетке.

Интерференцию света используют в специальных приборах — интерферометрах

— для измерения с высокой степенью точности длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

На рис. 19.7 изображена принципиальная схема интерферо метра Майкельсона,
который относится к группе двухлучевых, так как световая волна в нем раздваивается и обе ее части, пройдя разный путь, интерферируют.

Луч 7 монохроматического света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную стеклянную пластинку А, задняя поверхность которой полупрозрачна, так как покрыта очень тонким слоем серебра. В точке О
этот луч расщепляется на два луча 2
и 3, интенсивность которых приблизительно одинакова.

Луч 2
доходит до зеркала I
, отражается, преломляется в пластине А
и частично выходит из пластины — луч 2′.
Луч 3 из точки О
идет к зеркалу II,
отражается, возвращается к пластине А, где частично отражается, — луч 3¢. Лучи 2′
и 3′, попадающие в глаз наблюдателя, когерентны, их интерференция может быть зарегистрирована.

Обычно зеркала I к II
располагают так, что лучи 2
и 3 от расхождения до встречи проходят пути одинаковой длины. Чтобы и оптическую длину путей сделать одинаковой, на пути луча 3 устанавливают прозрачную пластину В,
аналогичную А,
для компенсации двух путей, пройденных лучом 2
через пластину А.
В этом случае наблюдается максимум интерференции.

Если одно из зеркал сдвинуть на расстояние l/4, то разность хода лучей станет l/2, что соответствует минимуму, произойдет смещение интерференционной картины на 0,5 полосы ²
.

Если зеркало от первоначального положения переместить на расстояние А./2, то оптическая разность хода интерферирующих лучей изменится на А., что соответствует максимуму, произойдет смещение интерференционной картины на целую полосу. Такая связь между перемещением зеркала и изменением интерференционной картины позволяет измерять длину волны по перемещению зеркала и, наоборот, перемещение по длине волны.

Интерферометр Майкельсона применяют для измерения показателя преломления. На пути лучей 2
и 3 устанавливают одинаковые кюветы К
(показаны штриховыми линиями на рис. 19.7), одна из которых наполнена веществом с показателем преломления п ₁

,а другая — с п ₂
.
Оптическая разность хода лучей

d = 2ln _l
— 21п ₂
= 21(п ₁
— п ₂
),
(19.23)

где l
— длина однократного пути луча в среде, заполняющей кюветы; так как лучи проходят кювету дважды, то расстояние равно 2l.
Предположим, что вследствие этой разности хода интерференционная картина смещается на k
полос, тогда

d = kl . (
19.24)

Приравнивая (19.23) и (19.24), получаем

Dn = n ₁
– n ₂
= k
l( 2l
). (19.25)

Если считать, что смещение на 0,1 полосы (k =
0,1) может быть зафиксировано, то, например, при l =
2,5 см, l. = 500 нм имеем

Как видно, интерференционный рефрактометр

(интерферометр, приспособленный для измерения показателя преломления) способен фиксировать изменения показателя преломления в шестом знаке после запятой.

Интерференционный рефрактометр применяют, в частности, с санитарно-гигиеническими целями для определения содержания вредных газов.

С использованием интерферометра Майкельсон доказал независимость скорости света от движения Земли, что явилось одним из опытных фактов, способствовавших созданию специальной теории относительности.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, получившее название интерференционного микроскопа,

используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов.

Принципиальная схема интерференционного микроскопа показана на рис. 19.8. Луч света, как и в интерферометре, в точке А
раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М,
а другой — вне его. В точке Д
лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.

Интерференцию света используют в
специальных приборах — интерферометрах

— для
измерения с высокой степенью точности
длин волн, небольших расстояний,
показателей преломления веществ и
определения качества оптических
поверхностей.

а рис. 19.7 изображена принципиальная
схема интерферо
метра Майкельсона,

который относится к группе двухлучевых,
так как световая волна в нем раздваивается
и обе ее части, пройдя разный путь,
интерферируют.

Луч 7 монохроматического света от
источника Sпадает под
углом 45° на плоскопараллельную стеклянную
пластинку А, задняя поверхность которой
полупрозрачна, так как покрыта очень
тонким слоем серебра.
В точке О
этот
луч расщепляется на два луча 2

и 3, интенсивность которых
приблизительно одинакова.

Луч 2

доходит до
зеркала I
,
отражается, преломляется в пластине А

и частично
выходит из пластины — луч 2′.

Луч 3 из точки
О
идет
к зеркалу II
,

отражается,
возвращается к пластине А, где частично
отражается, — луч 3.
Лучи 2′
и 3′, попадающие в глаз
наблюдателя,когерентны,
их интерференция может быть зарегистрирована.

Обычно зеркала I
к

II

располагают
так, что лучи 2
и 3 от расхождения до
встречи проходят пути одинаковой длины.
Чтобы иоптическую
длину путей сделать одинаковой, на пути
луча 3 устанавливают
прозрачную пластину В,

аналогичную
А,
для
компенсации двух путей, пройденных
лучом 2
через пластину А.
В этом
случае наблюдается максимум интерференции.

Если одно из зеркал
сдвинуть на расстояние /4,
то разность хода лучей станет/2,
что соответствует минимуму, произойдет
смещение интерференционной картины на
0,5 полосы ²
.

Если зеркало от первоначального положения
переместить на расстояние А./2, то
оптическая разность хода интерферирующих
лучей изменится на
А., что соответствует максимуму, произойдет
смещение интерференционной картины на
целую полосу. Такая
связь между перемещением зеркала
и изменением интерференционной
картины позволяет измерять длину
волны по перемещению зеркала и, наоборот,
перемещение по длине
волны.

Интерферометр
Майкельсона применяют для измерения
показателя преломления. На пути
лучей 2
и 3 устанавливают одинаковые
кюветы К
(показаны штриховыми линиями
на рис. 19.7), одна из
которых наполнена веществом с показателем
преломления п
₁
,
а
другая — с п
₂
.
Оптическая
разность хода лучей

 = 2
ln
_l

— 21п
₂
= 21(п
₁
—
п
₂
),
(19.23)

где l

— длина
однократного пути луча в среде, заполняющей
кюветы; так как
лучи проходят кювету дважды, то расстояние
равно 2
l
.

Предположим,
что вследствие этой разности хода
интерференционная
картина смещается на k

полос, тогда

Приравнивая (19.23) и (19.24), получаем

 n

=
n
₁

–
n
₂

=
k
( 2
l
) .
(19.25)

Если считать, что
смещение на 0,1 полосы (
k

=
0,1) может быть
зафиксировано, то, например, при l

=
2,5 см, .
= 500 нм имеем

Как видно,
интерференционный
рефрактометр

(интерферометр,
приспособленный для измерения показателя
преломления) способен
фиксировать изменения показателя
преломления в шестом
знаке после запятой.

Интерференционный
рефрактометр применяют, в частности, с
санитарно-гигиеническими
целями для определения содержания
вредных газов.

С использованием
интерферометра Майкельсон доказал
независимость
скорости света от движения Земли, что
явилось одним из
опытных фактов, способствовавших
созданию специальной теории относительности.

очетание двухлучевого интерферометра
и микроскопа, получившее название интерференционного микроскопа,

используют в биологии для измерения
показателя преломления, концентрации
сухого вещества и толщины прозрачных
микрообъектов.

Принципиальная
схема интерференционного микроскопа
показана на рис. 19.8. Луч света, как и в
интерферометре,
в точке А

раздваивается,
один луч проходит
через прозрачный микрообъект М,

а другой — вне его. В
точке Д
лучи
соединяются и интерферируют,
по результату интерференции судят
об измеряемом параметре.

Соседние файлы в папке Лабы

Луч 7 монохроматического света от
источника Sпадает под
углом 45° на плоскопараллельную стеклянную
пластинку А, задняя поверхность которой
полупрозрачна, так как покрыта очень
тонким слоем серебра.
В точке О
этот
луч расщепляется на два луча 2

и 3, интенсивность которых
приблизительно одинакова.

Если зеркало от первоначального положения
переместить на расстояние А./2, то
оптическая разность хода интерферирующих
лучей изменится на
А., что соответствует максимуму, произойдет
смещение интерференционной картины на
целую полосу. Такая
связь между перемещением зеркала
и изменением интерференционной
картины позволяет измерять длину
волны по перемещению зеркала и, наоборот,
перемещение по длине
волны.

Интерферометр
Майкельсона применяют для измерения
показателя преломления. На пути
лучей 2
и 3 устанавливают одинаковые
кюветы К
(показаны штриховыми линиями
на рис. 19.7), одна из
которых наполнена веществом с показателем
преломления п
₁
,
а
другая — с п
₂
.
Оптическая
разность хода лучей

 = 2
ln
_l

— 21п
₂
= 21(п
₁
—
п
₂
),
(19.23)

Приравнивая (19.23) и (19.24), получаем

 n

=
n
₁

–
n
₂

=
k
( 2
l
) .
(19.25)

Интерференционный
рефрактометр применяют, в частности, с
санитарно-гигиеническими
целями для определения содержания
вредных газов.

С использованием
интерферометра Майкельсон доказал
независимость
скорости света от движения Земли, что
явилось одним из
опытных фактов, способствовавших
созданию специальной теории относительности.

Принципиальная
схема интерференционного микроскопа
показана на рис. 19.8. Луч света, как и в
интерферометре,
в точке А

раздваивается,
один луч проходит
через прозрачный микрообъект М,

а другой — вне его. В
точке Д
лучи
соединяются и интерферируют,
по результату интерференции судят
об измеряемом параметре.

Соседние файлы в папке лабораторные

Интерферометры и их применение. Интерференционный микроскоп.

Интерференцию
света используют в специальных приборах
— интерферометрах
— для измерения
с высокой степенью точности длин волн,
небольших расстояний, показателей
преломления веществ и определения
качества оптических поверхностей.

Схема
интерферометра Майкельсона
, который
относится к группе двухлучевых, так как
световая волна в нем раздваивается и
обе ее части, пройдя разный путь,
интерферируют. Состоит из двух зеркал
М1 и М2 и полупроницаемой отражающей
перегородки S, наклоненной под углом
45°. Эта перегородка пропускает 50%
падающего на нее света и отражает
остальные 50%. Расстояния до зеркал L1 и
L2 одинаковы: L1 = L2 = L. Монохроматический
свет от источника наполовину проходит
через перегородку S, отражается от M1 и
затем попадает на детектор, наполовину
отразившись от S (луч 1). Этот путь свет
проходит по направлению скорости Земли
при ее движении по орбите и в обратную
сторону, что соответствует движению
пловца по течению и против него. Другая
часть пучка света отражается перегородкой
S к зеркалу М2, а на обратном пути проходит
через перегородку, попадая в детектор
(луч 2).

Интерференционный
рефрактометр (интерферометр, приспособленный
для измерения показателя преломления)
способен фиксировать изменения показателя
преломления в шестом знаке после запятой.

Интерференционный
рефрактометр применяют, в частности, с
санитарно-гигиеническими целями для
определения содержания вредных газов.

С использованием
интерферометра Майкельсон доказал
независимость скорости света от движения
Земли, что явилось одним из опытных
фактов, способствовавших созданию
специальной теории относительности.

Сочетание
двухлучевого интерферометра и микроскопа,
получившее название интерференционного

микроскопа
, используют в биологии
для измерения показателя преломления,
концентрации сухого вещества и толщины
прозрачных микрообъектов.

Явление дифракции. Принцип Гюгенса – Френеля. Дифракция на щели в параллельных лучах.

Характерным
проявлением волновых свойств света
является дифракция света — отклонение
света от прямолинейного распространения
на резких неоднородностях среды.

Согласно
Гюйгенсу, каждая точка волновой
поверхности, которой достигла в данный
момент волна, является центром элементарных
вторичных волн, их внешняя огибающая
будет волновой поверхностью в последующий
момент времени

Френель
дополнил это положение Гюйгенса, введя
представление о когерентности вторичных
волн и их интерференции. В таком обобщенном
виде эти идеи получили название принципа
Гюйгенса—Френеля.

Принцип
Гюйгенса — Френеля
: волновая
поверхность в любой момент времени
представляет собой не просто огибающую
вторичных волн, а результат их
интерференции.

На узкую
длинную щель, расположенную в плоской
непрозрачной преграде MN, нормально
падает плоскопараллельный пучок
монохроматического света. Если бы не
было дифракции, то световые лучи, пройдя
через щель, сфокусировались бы в точке
О, лежащей на главной оптической оси
линзы.

Дифракция
света, как и интерференция, связана с
перераспределением энергии электромагнитных
волн в пространстве. В этомсмысле щель
в непрозрачном экране является не просто
системой, ограничивающей поступление
светового потока, но перераспределителем
этого потока в пространстве.

Чтобы понять
влияние соотношения между шириной щели
и длиной волны на возможность наблюдения
дифракционной картины, рассмотрим
некоторые частные случаи:

1) λ меньше
или равно а. Представив формулу для
максимумов в виде

sin альфа =
+- (2k + 1) λ/(2а),

имеем sin
альфа примерно равен 0 практически для
всех максимумов, и дифракция при этом
не наблюдается. Этот случай соответствует
достаточно широкой, по сравнению с
длиной волны, щели. Так, например, не
удается осуществить дифракцию в комнате
при прохождении света через окно;

2)а < λ. На
основании (19.27) для первых минимумов,
которые ограничивают центральную
светлую полосу, можно записать

sin альфа =
± λ/а.

Отсюда
следует, что при заданном условии sin 
формально превышает единицу, чего не
может быть. Практически в этом случае
вместо системы максимумов и минимумов
весь экран будет слабоосвещен.

Соседние файлы в предмете Медицинская физика

Специализированные микроскопы, предназначенные для работы в режиме фазового контраста, их используют главным образом для наблюдения культур клеток, и они позволяют видеть изменения клеток в процессе культивирования. Эти модели микроскопов адаптированы для наблюдения клеток в чашках Петри, в сосудах Карреля и других культуральных сосудах. Инвертированные микроскопы имеют обратное расположение оптики — объективы находятся снизу, а конденсор – сверху.

Направление хода лучей, прошедших сверху вниз через объектив, изменяется системой зеркал, и в глаз наблюдателя они попадают, как обычно, снизу вверх. Микроскопы этого типа предназначены так же для исследования громоздких объектов, которые трудно или невозможно расположить на предметных столиках обычных микроскопов.

Метод интерференционного контраста (интерференционная микроскопия) состоит в том, что каждый луч, входящий в микроскоп, раздваивается; один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, а второй — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви микроскопа. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей d, которая выражается формулой d = N
l = ( n ₀

— n _m

) d
, где n ₀
, n _m

— показатели преломления частицы и окружающей среды, d
— толщина частицы, N
— т. н. порядок интерференции, l — длина волны света.

Метод интерференционного контраста в некоторых отношениях сходен с методом фазового контраста — оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших её. Как и фазово-контрастная микроскопия, этот метод позволяет наблюдать прозрачные и бесцветные объекты, но их изображения могут быть и разноцветными (интерференционные цвета). Оба метода пригодны для изучения живых тканей и клеток (и часто применяются именно с этой целью).

Отличие интерференционного метода от метода фазового контраста заключается главным образом в возможности, используя компенсаторы, с высокой точностью (до ¹
/ ₃₀₀
l) измерять разности хода, вносимые микрообъектами. Это открывает широкие возможности количественных исследований — на основании таких измерений могут быть рассчитаны общая масса и концентрация сухого вещества в микрообъекте (например, в растительной или животной клетке), показатель преломления и размеры объекта. Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, в частности с наблюдением в поляризованном свете; применение его совместно с микроскопией в ультрафиолетовых лучах позволяет, например, определить содержание нуклеиновых кислот в общей сухой массе объекта.

Интерференционная микроскопия дает изображение, как будто объект освещен сбоку, изображение формируется как сочетание свет-тень. Имеют значение даже небольшие различия в коэффициентах преломления и толщине участков объекта. Позволяет изучать крупные органоиды. Оптика Номарского – специальная призма, улучшающая качество изображения в интерференционном микроскопе.

Микроскопия в поляризованном свете
(поляризационная микроскопия) – другой способ наблюдения неокрашенных препаратов.

Метод наблюдения в поляризованном свете (поляризационная микроскопия) служит для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов). К ним относятся многие минералы, зёрна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и пр. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в разных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света, падающего на них. Наблюдение можно вести как в проходящем, так и в отражённом свете. Свет, излучаемый осветителем, пропускают через поляризатор; сообщенная ему при этом поляризация меняется при последующем прохождении света через препарат (или отражении от него), и эти изменения изучаются с помощью анализатора и различных оптических компенсаторов. По таким изменениям можно судить об основных оптических характеристиках анизотропных микрообъектов: силе двойного лучепреломления, количестве оптических осей и их ориентации, вращении плоскости поляризации, дихроизме.

Дифференциально-интерференционный контраст в проходящем свете (DIC)

Дифференциально интерференционный контраст (
интерференционный контраст по Номарскому )
, — наиболее популярный метод достижения контраста, используемый сейчас даже чаще, чем фазовый контраст. Он давно применяется в материаловедении, где часто используется падающий свет, а теперь метод Номарского быстро вытесняет фазовый контраст в биологических исследованиях.

Принцип метода состоит в том, что луч плоскополяризованного света расщепляется призмой Волластона на два луча. Оба они проходят через объект очень близко друг к другу, однако достаточно далеко для глаза наблюдателя, что создает эффект объемности за счет различий в интенсивностях освещенности деталей в конечном изображении. Два луча совмещаются второй призмой Волластона, расположенной в задней фокальной плоскости объектива. Анализатор завершает формирование изображения.

Два луча имеют боковой сдвиг друг относительно друга, и направление сдвига воспринимается как направление подсветки изображения с одной стороны. Разность длин оптических путей двух лучей обычно устанавливается так, чтобы получился так называемый нулевой серый фон, на котором объект будет ограничен соответственно светлой или темной каймой. Однако, перенастроив микроскоп, можно добиться поворота тени на 180°. Поворот тени дает интересный эффект. Препарат, который сначала имел сходство с яичницей-глазуньей, после перенастройки приобретает вид пластинки с углублениями. Это необходимо учитывать, представляя фотомикрографии, полученные этим методом. Аналогичный результат может получиться, если поворачивать отпечаток.

Сильно передвинув призму Волластона, можно получить окрашенное изображение на приятном цветном фоне. Цвета снова относятся к отрицательной части интерференционной шкалы Ньютона для белого света.

Методы прижизненной (витальной) окраски. Прижизненные красители — органические соединения ароматического ряда, обладающие относительно небольшой токсичностью для живых клеток. Различаются основные и кислые красители. Проникая в клетку, они соединяются главным образом с белками, и вначале вся цитоплазма приобретает диффузную окраску, после чего некоторые красители откладываются в цитоплазме в виде гранул. Окраска живых клеток дает возможность выявлять изменения, происходящие в клетках и тканях при разных внешних воздействиях. В последнем случае чрезвычайно важно то, что количество красителя, поглощенного неповрежденными или поврежденными путем какого-либо воздействия клетками, можно точно определить и выразить количественно. Разница в количестве красителя, поглощенного неповрежденными и поврежденными клетками, свидетельствует о характере и степени изменений, возникающих под влиянием различных внешних воздействий.

Индиго окрашивает ядра клеток, а метиленовый фиолетовый — все структуры клетки.

Красители для витального окрашивания должны обладать низкой токсичностью и способностью легко проникать в клетки живого окрашиваемого объекта. Используются красители для видимого света и флуоресцентные красители.

Основные красители:

Метиленовый синий — используется для витального окрашивания простейших, изолированных клеток, культур тканей, тонких плёнок живых тканей. Используется раствор 1:1000 — 1:10 000. В ботанике используется для окраски вакуолей, накапливаясь в клетках, содержащих дубильные вещества. Может использоваться для окраски митохондрий.

Кислые красители:

Нейтральные красители:

Интерференция света. Когерентность. Интерферометры и их применение. Интерференционный микроскоп

Интерференция света
— явление наложения когерентных волн, приводящее к образованию в пространстве чередований усиления и ослабления интенсивности волн. Необходимым условием интерференции является когерентность волн. Когерентными называются колебания или волны (а также и их источники) одинаковой частоты, имеющих постоянную разность фаз, которая обусловлена самими источниками колебаний.

Распространение световых волн в пространстве описывается уравнением световой волны (методичка, с. 159)

Е
— напряженность электрического поля в данной точке пространства х
и в данный момент времени t; Еm
— амплитудное значение напряженности электрического поля Е
; w — круговая частота изменения значения Е;
v — скорость распространения световой волны.

При наложении когерентных волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних точках возникает максимум, а в других минимум интенсивности.

Интерференцию света применяют в специальных приборах — интерферометрах — для измерения с высоко степенью точности длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

Интерферометр Майкельсона относится к группе двулучевых, т.к. световая волна в нем раздваивается и обе ее части, пройдя разный путь, интерферируют. (схема Ремизов, с.423)

Луч 1 монохроматического света от источника S падает под углом 45° на плоскопараллельную стеклянную пластинку А, задняя поверхность которой полупрозрачна, т.к. покрыта очень тонким слоем серебра. В точке О этот луч расщепляется на два луча 2 и 3, интенсивность которых приблизительно одинакова.

Луч 2 доходит до зеркала I, отражается, преломляется в пластине А и частично выходит из пластины — луч 2¢. Луч 3 из точки О идет к зеркалу II, отражается, возвращается к пластине А, где частично отражается, — луч 3¢. Лучи 2¢ и 3¢, попадающие в глаз наблюдателя, когерентны, их интерференция может быть зарегистрирована.

Интерферометр Майкельсона применяют для измерения показателя преломления, т.е. он является интерференционным рефрактометром. Его используют с санитарно-гигиеническими целями для определения содержания вредных газов.

Сочетание двулучевого интерферометра и микроскопа, получившее название интерференционного микроскопа, используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов. Луч света, как в интерферометре, раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект, а другой — вне его. В другой точке лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.

31
. Дифракция света. Дифракция на щели в параллельных лучах. Дифракционная решетка.

Дифракция

– явление огибания волнами препятствий, отклонение света от прямолинейного распространения вблизи неоднородностей среды. Она сопровождается интерференцией и объясняется принципом Гюйгенса-Френеля
:

каждая точка волновой поверхности является центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени, излучаемые вторичные волны когерентны и могут интерферировать.

Условие наблюдения дифракции
– соизмеримость размеров неоднородностей с длиной волны.

Дифракция на щели в параллельных лучах:

Если световую монохроматическую волну направить на щель Щ
ширина а
которой достаточно мала,то на экране Э
, расположенном по другую сторону щели, получится изображение этой щели, окруженное интерференционной картиной — чередованием светлых (максимумов) и темных (минимумов) полос. Распределение интенсивного света на экране на рисунке 1 справа.

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, когда фронт падающей волны достигает щели (рис.2), все его участки становятся источниками вторичных когерентных волн, распространяющихся за щелью во всех направлениях.

Для расчета положений max и min при интерференции лучей применяется метод зон Френеля.

Зона Френеля

– участки поверхности щели, разность хода крайних лучей которых равна λ\2. Для нахождения числа зон Френеля разность хода ВС разбивается на интервалы длиной λ\2. Если от границ полученных интервалов провести линии, параллельные перпендикуляру АС, то пространство щели разобьется на ряд участков – зоны Френеля.

Пусть параллельный пучок монохроматического света падает нормально на непрозрачный экран, в котором прорезана узкая щель ВС, имеющая постоянную ширину b и длину l>>b (см. рис.1а). Оптическая разность хода между крайними лучами ВМ и CN, идущими от щели под углом j к оптической оси линзы OF0 D=CD=bsinj.

Разобьем щель ВС на зоны Френеля, имеющие вид полос, параллельных ребру В щели. Ширина каждой зоны выбирается (согласно методу зон Френеля) так, чтобы разность хода от краев этих зон была равна l/2

При интерференции света от каждой пары соседних зон амплитуда результирующих колебаний равна нулю, так как эти зоны вызывают колебания с одинаковыми амплитудами, но противоположными фазами. Всего на ширине щели уместится D:

l/2= bsinj/(l/2) зон. Если число зон четное, т.е.

bsinj/(l / 2)=± 2mили bsinj=± ml, m=1,2,3

то наблюдается дифракционный минимум (темная полоса).

Понятие об интерференционном микроскопе

Интерферометры и их применение.

Интерферометрами
называют измерительные и контрольные приборы, основанные на интерференции света.

Они применяются для измерения с высокой степенью точности, длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

Рассмотрим схему устройства интерферометра Жамена

, называемого ткаже интерференционным рефрактометром, который применяется для определения показателя преломления газов, мало отличающихся от единицы.

Прибор состоит из двух идентичных толстых зеркальных пластин А
и В
, установленных почти параллельно между собой и под Ð 45 ⁰
к направлению параллельного пучка света от источника S
. Вследствие отражения от передней и задней поверхностей пластины А
луч 1-2
разделяется пространственно на два луча 1¢
и 2¢
, которые отразившись от пластины В,
вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат наблюдается в зрительную трубу, расположенную по направлению лучей 1¢ — 2¢
. Так как пластины А
и В
расположены между собой под небольшим углом, то между лучами 1¢
и 2¢
образуется разность хода и в зрительную трубу наблюдается система прямых интерференционных полос равного наклона. Если на пути лучей 1¢
и 2¢
поместить две прозрачные кюветы К ₁

и К ₂

одинаковой длины l
: одну наклоненную исследуемым газом с показателем преломления n
, а вторую — вакуумную ( no = 1
), то между лучами 1¢
и 2¢
создается дополнительная разность хода D
=

l (n — 1)
. Она вызовет смещение интерференционных полос
. Так как смещение на одну полосу соответствует изменению разности хода на одну длину волны, то смещение на m полос будет соответствовать разности хода

D = l(n — 1)
.

Следовательно, l(n — 1) = ml
, откуда
.

Интерферометр Жамена, позволяющий легко и быстро обнаружить изменение состава газа или появление в нем примесей, применяется в санитарной практике для контроля чистоты воздуха в производственных помещениях, шахтах и т.п.

Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа, используют в биологии для измерения показателя преломления, концентрации сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов. Он получил название интерференционного микроскопа

.

Луч света, как и в интерферометре, в точке А раздваивается, один луч проходит через прозрачный микрообъект М
, а другой — вне его. В точке D
лучи соединяются и интерферируют, по результату интерференции судят об измеряемом параметре.

Вопрос 7. 13 минут.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ: — микроскопия,
дающая возможность наблюдать неокрашенные прозрачные структуры,
а также вычислить их сухую массу. Осуществляется с помощью интерференционного микроскопа,
в котором участки объекта,
имеющие различную толщину или неодинаковые показатели преломления,
вследствие интерференции света образуют световой эффект разноцветности и потому имеют контрастный вид.