Презентація на тему:
ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ ЗОРУ

ЕЛЕМЕНТИ БІОФІЗИКИ ЗОРУ

Електромагнітні хвилі Електромагнітна хвиля – це розповсюдження електромагнітного поля (електромагнітних коливань) у просторі. Рівняння Максвела для вакууму .

Хвильові рівняння - швидкість електромагнітних хвиль у речовині

Електромагнітна хвиля є плоскою поперечною хвилею, в якій електричну і магнітну складові можна описати за допомогою рівнянь подібних до рівнянь, які описують механічні коливання Або з використанням поняття хвильового числа Існування електромагнітних хвиль експериментально підтвердив у 1887 р. німецький вчений Герц, який досліджував їх властивості. І в 1895р. Попов А.С., а в 1896р Марконі вдалося застосувати електромагнітні хвилі для радіозв’язку. Вони стали фундаторами сучасної радіотехніки.

Електромагнітна хвиля

ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ Вектор потоку енергії електромагнітних хвиль - вектор Пойнтінга - це умовний вектор, який за напрямком збігається з напрямком переносу енергії, а його модуль (інтенсивність І) дорівнює кількості енергії , яка переноситься за одиницю часу через одиницю площі поверхні, перпендикулярної до напрямку швидкості руху електромагнітної хвилі. Енергія електромагнітної хвилі є сумою енергій магнітної та електричної складових

Тому об'ємна густина енергії електромагнітної хвилі дорівнює Вектор Пойтінга

Шкала електромагнітних хвиль Частота, Гц Видиме світло Радіохвилі Гамма випромінювання УФ випромінювання ІЧ випромінювання Рентгенівські промені ТВ-діапазон мікрохвилі 1016 1018 1019 1012 106 108 1010 1014 Полоса радіомовлення

Ультрафіолетовим випромінюванням (УФ) називається електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль у вакуумі від 380 до 10нм. Рентгенівським випромінюванням називають електромагнітне випромінювання, яке виникає при взаємодії заряджених частинок і фотонів з атомами речовини і характеризується довжинами хвиль у вакуумі від 1- - 100 нм до 0,01 – 1пм. Гамма-випромінюванням (гамма-променями) називаєтья електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль у вакуумі меншими 0,1 нм, яке випромінюється збудженими атомними ядрами при радіоактивних перетвореннях і ядерних реакціях.

Закон прямолінійного поширення світла: світло в оптично однорідному середовищі поширюється прямолінійно. Якщо світло падає на межу поділу двох середовищ (двох прозорих речовин), то падаючий промінь І (рис.) розділяється на два – відбитий ІІ і заломлений ІІІ промені, напрямки яких визначаються законами відбивання і заломлення.

Цікавинка! Згідно з теорією кольорового зору Юнга-Гемгольца (1821-1894) відчуття будь-якого кольору можна отримати змішуванням спектрально чистих випромінювань червоного, зеленого та синього кольорів. Ця теорія передбачає, що в оці є тільки три типа світлочутливих приймачів. Коли усі рецептори збуджені в однаковому степені, ми маємо відчуття білого кольору, а коли усі рецептори не збуджені - чорного. З цієї причини, накладання червоного, зеленого та синього кольорів виглядає як біла пляма. Накладання червоного та синього дає фіолетовий колір, зеленого та синього - бірюзовий, червоного та зеленого - жовтий

З теорії Максвела випливає, що світло – це електромагнітні хвилі. Хвильові властивості світла підтверджуються явищами інтерференції та дифракції. Слово “інтерференція” уведено Юнгом. Інтерференцією світла називається стійке у часі явище посилення світла в одних точках простору та послаблення його в інших точках у наслідок накладення двох або декількох когерентних хвиль, що приходять у ці точки.

Когерентність Монохроматична хвиля – це строго гармонічна (синусоїдальна) хвиля із сталими у часі частотою, амплітудою та початковою фазою. Монохроматичні хвилі, коливання в яких відрізняються постійною різницею фаз, що не змінюється з часом, називаються когерентними (узгодженими). Некогерентність хвиль від різних джерел світла спричиняється тим, що різниця фаз хвиль не залишається сталою (виключенням є квантові джерела світла – лазери). Умовою спостереження інтерференції є когерентність хвиль, які інтерферують

1802 р. – визначення довжин хвиль сонячного випромінювання Джерело світла - щілина S, від якої світлова хвиля падає на дві вузькі рівновіддалені щілини. Вони є когерентними джерелами. Інтерференційна картина спостерігається на екрані, який міститься на відстані L паралельно до щілин. , тоді

Координати максимумів Координати мінімумів Ширина інтерференційної смуги - відстань між сусідніми мінімумами

Один із творців хвильової оптики. До 14 років вивчив диференціальне обчислення, багато мов, володів токарським ремеслом, майстрував різні прилади. Вивчав медицину, зоологію, математику, філологію (намагався розшифрувати тексти Розетського каменю), геофізику, керував виданням “Морського календаря” і т.і. Найбільш фундаментальні праці - з фізики, зокрема з оптики та акустики. Виступив на захист хвильової природи світла, запропонував (1801) принцип суперпозиції (додавання) світлових хвиль, пояснив з цих позицій інтерференцію, дифракцію, виміряв довжини хвиль світла різних кольорів. Висунув ідею поперечності світлових хвиль (1817). Досліджував деформацію зсуву, увів модуль пружності (модуль Юнга). Томас Юнг (1773 — 1829), англійський фізик

Врахуємо II закон заломлення світла

Таким чином, оптична різниця ходу При відбиванні світла від границі розділу середовища менш щільного з середовищем більш щільним фаза хвилі змінюється на π. При відбиванні світла від оптично менш щільного середовища зміни фази не відбувається. Внаслідок між променями 1 і 2 виникає додаткова різниця фаз, яка дорівнює π. Її можна врахувати, віднявши від половину довжини хвилі у вакуумі.

Кільця Ньютона це колоподібні максимуми та мінімуми, які з'являються навколо точки дотику випуклої лінзи та плоско паралельної пластинки при проходженні світла через лінзу і пластинку. Ньютон спостерігав цю картину як у білому, так і монохроматичному світлі. пояснення дав Юнг, виходячи у припущенні хвильової природи світла

Кільця Ньютона b 1 2 3 R-b - умова максимумів. Радіуси світлих кілець Ньютона

Радіуси темних кілець (мінімумів) - умова мінімумів.

Дифракція світла - це явище відхилення світла від прямолінійного поширення при зіткненні з неоднорідностями середовища, розміри яких є порівняними з довжиною хвилі падаючого випромінювання. Принцип Гюйгенса - кожна точка середовища, до якої доходить світло є самостійним джерело сферичних хвиль. Френель доповнив принцип Гюйгенса, увівши уявлення про те, що хвильове збурення в будь-якій точці простору можна розглядати як результат інтерференції вторинних хвиль від фіктивних джерел, на які розбивається хвильовий фронт. Френель уперше висловив припущення, що ці фіктивні джерела когерентні і тому можуть інтерферувати в будь-якій точці простору, внаслідок чого елементарні хвилі можуть гасити або підсилювати одна одну.

Розрізняють два випадки дифракції світла: Дифракція Френеля або дифракція в збіжних променях, коли на перешкоду падає плоска або сферична хвиля, і дифракційна картина спостерігається на екрані, що перебуває на кінцевій відстані від нього Дифракція Фраунгофера або дифракція в паралельних променях, коли на перешкоду падає плоска хвиля, і дифракційна картина спостерігається на екрані, що перебуває у фокальній площині збиральної лінзи, встановленої на шляху світла

Зони Френеля

Амплітуда результуючих коливань в точці Р дорівнює Амплітуда, створювана у точці Р усією хвильовою поверхнею, дорівнює половині амплітуди від однієї центральної зони.

Христіан Гюйгенс (1629 - 1695) Голландський фізик, механік, математик і астроном. Фізичні дослідження в області механіки, оптики, молекулярної фізики. Сконструював перші маятникові годинники зі спусковим механізмом (1656), розробив їхню теорію (1673) та вирішив низку проблем, пов'язаних з ними. Розробив хвильову теорію світла (принцип Гюйгенса). Виходячи зі своєї теорії світла, пояснив ряд оптичних явищ. Відкрив в 1678 поляризацію світла. Вивчав оптично анізотропні кристали Увів поняття "вісь кристала". Разом з Гуком установив (1665) постійні точки термометра - точку танення льоду та точку кипіння води. За допомогою сконструйованого ним самим телескопа в 1665 відкрив кільце Сатурна й перший супутник Сатурна – Титан та визначив його період обертання навколо планети. Значних результатів досяг у математиці.

Френель Огюстен Жан (1788 - 1827) Член Лондонського королівського товариства (з 1825). Французький фізик, один із засновників хвильової оптики. Закінчив Політехнічну школу (1806 та Школу доріг і мостів (1809) у Парижі. Працював інженером з ремонту доріг. Створив теорію дифракції, поклавши в основу принцип Гюйгенса та доповнивши його фундаментальною ідеєю про інтерференцію елементарних хвиль (принцип Гюйгенса – Френеля). Пояснив на основі цього принципу закони геометричної оптики. Ним вперше розглянута дифракція від краю екрана та круглого отвору. Френель — автор дослідів з бідзеркалами (1816) і біпризмами (1819), що стали класичними методами демонстрації інтерференційних явищ. Він уперше пояснив поляризаційні явища виходячи з гіпотези про поперечність світлових хвиль і встановив кількісні закони поляризації світла при його відбиванні та заломленні (формули Френеля,1823).

Дифракція Френеля від круглого отвору

Дифракція від круглого диску Диск закриє m перших зон Френеля

У випадку непрозорого круглого диску дифракційна картина має вигляд низки світлих і темних концентричних кілець. В центрі картини знаходиться світла пляма (пляма Пуассона)

Дифракція Фраунгофера від щілини в паралельних променях (1821-1822рр.)

Анімація показує експеримент з дифракцією Фраунгофера на одній щілині. Ширина b щілини змінюється у діапазоні 500-1500 нм, довжина хвилі світла - 600 нм.

Анімація показує експеримент з дифракцією Фраунгофера на двох щілинах, за умови, що ширина кожної щілини b змінюється, а відстань між щілинами d залишається сталою. З анімації видно, що при зменшенні b ширина дифракційної картини збільшується, а її яскравість зменшується. При цьому період інтерференційних смуг не змінюється.

Анімація показує експеримент з дифракцією Фраунгофера на двох щілинах, за умови, що ширина щілин b залишається сталою (1000 нм), а відстань між щілинами d змінюється у діапазоні 1000-10000 нм. Довжина світлової хвилі - 600 нм.  Частота розміщення дифракційних смуг збільшується пропорційно відстані d між щілинами, в той час як ширина дифракційної картини не змінюється і залежить тільки від b.

Взаємодія світла з речовиною

Для діелектриків μ =10-1 м-1÷10-5 м-1 , для металів μ=105 ÷ 107 м-1, тому метали непрозорі для світла. Залежністю μ (λ) пояснюються кольори тіл. Явище вибіркового поглинання світла певних довжин хвиль використовується при конструюванні світлофільтрів, які залежно від хімічного складу пропускають світло певних довжин хвиль та поглинають світло інших довжин. Абсорбційний спектральний аналіз суміші газів ґрунтується на вимірювання спектрів частот та інтенсивностей ліній (смуг) поглинання. Структура спектрів поглинання визначається складом та будовою молекул, тому вивчення спектрів поглинання є одним із основних методів кількісного та якісного дослідження речовин.

Розсіювання світла. Закон Релея

Дисперсія світла (Ньютон 1672р.)

1 У середовищі немає дисперсії за умови Наприклад, дисперсія вакууму 2 Нормальною дисперсією називають зростання показника заломлення із збільшенням частоти світла. Вона спостерігається за умови 3 Аномальною дисперсією називають зменшення показника заломлення із збільшенням частоти світла. Вона спостерігається за умови

Лінійно поляризована електромагнітна хвиля (зображено синім кольором) та хвиля колової поляризації (зображено червоним).

СПОСОБИ ОТРИМАННЯ ПОЛЯРИЗОВАНОГО СВІТЛА

Народився у Джедборо. Вивчав теологію у Единбурзькому університеті, прийняв сан священика і став одним з засновників Вільної шотландської церкви. Був фармацевтом, потім доктором прав та адвокатом; але вже 3 1801 р. став займатися фізикою, якій потім - і переважно оптиці - присвятив своє життя. Згодом він був професором фізики і, нарешті, ректором Единбурзького університету. Спеціалізувався на вивченні оптичних явищ, перед усім спектральних та поляризаційних. Відкрив закон, який має його ім'я. У 1816 році винайшов калейдоскоп. 1781 – 1868 Шотландський фізик Девід Брюстер

В одноосному кристалі один із променів, які утворюються при подвійному променезаломленні, підкоряється законам заломлення світла, тому називається звичайним променем (о). Другий промінь називають незвичайним променем (е). Ці промені поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Оптично анізотропні кристали використовують для створення поляризаторів – приладів, які поляризують світло. Червоним позначений звичайний промінь (горизонтальна поляризація), зеленим — незвичайний (вертикальна поляризация) Нижня грань призми повністю поглинає відбитий від площини склеювання звичайний промінь. Клей — канадський бальзам.

Виведення закону Малюса Проходження світла через два поляроїди. y y ‘ – напрямки поляризації поляроїдів

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання, яке виникає за рахунок внутрішньої енергії випромінюючого тіла. Теплове випромінювання залежить тільки від температури та оптичних властивостей тіла. Будь-яке тіло, температура якого вища за абсолютний нуль дає теплове випромінювання. Експерименти свідчать, що теплове випромінювання має безперервний спектр. Це означає, що нагріте тіло випускає деяку кількість енергії випромінювання у будь-якому діапазоні частот або довжин хвиль. Розподіл енергії випромінювання тіла по спектру залежить від температури тіла. Теплове випромінювання є рівноважним, тобто може знаходиться в тепловій рівновазі з речовиною.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ Потік енергії – загальна кількість енергії, яка випромінюється тілом за одиницю часу (енергетична потужність):

Інтегральна випромінювальна здатність або енергетична світність визначається потоком енергії, яка випромінюється з одиниці поверхні тіла у всіх напрямках і на всіх довжинах хвиль (частотах):

Будь-яке реальне тіло поглинає випромінювання різних частот по різному залежно від його температури. Тому спектральна поглинальна здатність тіла є функцією частоти , вид якої змінюється при зміні температури тіла .       Тіло, поглинальна здатність якого менша за одиницю і однакова на всьому діапазоні частот, називають сірим тілом. Інтегральна поглинальна здатність (коефіцієнт чорноти) тіла називається

І закон теплового випромінювання – закон Кірхгофа Закон Кірхгофа: для рівноважних станів тіл для будь-яких довжин хвиль і температур відношення випромінювальної здатності до поглинальної здатності не залежить від матеріалу тіла і є функцією тільки температури та частоти:

КИРХГОФ Густав Роберт  1824 —1887 Німецький фізик член Берлінської АН Народився у Кенігсберзі. Закінчив Кенігсберзький ун-т (1846). Роботи в областях електрики, механіки, оптики, математичної фізики, теорії пружності, гідродинаміки. У 1845—47 - правила Кірхгофа для електричних мереж. Разом із Р. Бунзеном у 1859 розробив метод спектрального аналізу та відкрив нові елементи — цезій (1860) та рубідій (1861).  Встановив (1859) один з основних законів теплового випромінювання (закон Кірхгофа), запропонував (1862) концепцію чорного тіла. Розвинув (1882) строгу теорію дифракції. Удосконалив теорію магнетизму Пуассона. Досліджував пружність твердих тіл, коливання пластин та дисків, форму вільного струменя рідини, рух тіла у рідинах.

ІІ закон теплового випромінювання – ЗАКОН СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА

Пірометр – прилад, призначений для безконтактного вимірювання високої радіаційної температури тіл по їх сумарному тепловому випромінюванню по всім довжинам хвиль

Якщо відомий інтегральний коефіцієнт поглинання матеріалу випромінювача, то за значенням радіаційної температури можна визначити його справжню температуру за формулою Зокрема, якщо радіаційний пірометр покаже температуру Тр=933К при спостереженні розжареної поверхні вольфрамового випромінювача (аТ=0,15), то його справжня температура Т=1500К.

Австрійський фізик-експериментатор. Закінчив Віденський університет, працював професором кафедри вищої математики та фізики та директором Інституту експериментальної фізики при Віденському університеті. Дослідження в галузях електрики, дифузії, молекулярно-кінетичної теорії газів. Він експериментально встановив формулу закону Стефана - Больцмана, теоретичне обґрунтування якої дав його учень Больцман. Використовуючи свій закон, Стефан уперше дав достовірну оцінку температури поверхні Сонця — близько 6000К. Йозеф СТЕФАН 1835 - 1893 Людвіг Больцман 1844 - 1906 Австрійський фізик-теоретик, один з основоположників класичної статистичної фізики, член Австрійської Академії наук (1895). Народився у Відні. Закінчив Віденський університет (1866). Професор університетів у Граце (1869-1873 й 1876-1889), Відню (1873-1876, 1894-1900 і з 1903), Мюнхені (1889-1894), Лейпцизі (1900-1902). Основні роботи в області кінетичної теорії газів розподіл Больцмана, основне рівняння МКТ), термодинаміки (статист. Характер ентропії) та теорії випромінювання (формула Стефана – Больцмана).

ІІІ закон теплового випромінювання – ЗАКОН ЗМІЩЕННЯ ВІНА - стала закону зміщення Віна. Закон зміщення Віна: (1893 р.) довжина хвилі, що відповідає максимальній випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла при заданій температурі обернено пропорційна температурі тіла На рисунку наведений розподіл випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах. За температур T>5000K максимум випромінювальної здатності знаходиться в ультрафіолетовій області спектра. Максимум енергії випромінювання Сонця припадає на 470 нм (зелена область спектру), що відповідає температурі поверхні Сонця ~ 6200 К (за умови, що Сонце є абсолютно чорним тілом).

Для всіх тіл зі збільшенням температури максимум енергії випромінювання зміщується у короткохвильову ділянку спектра, а загальна енергія випромінювання збільшується. Так, якщо батареї центрального опалювання (300К) має пік енергії у діапазоні невидимого інфрачервоного випромінювання, то розжарена поверхня Сонця (6000К) випромінює значну частину енергії у діапазоні видимого світла, а при ядерному вибуху (5000000К) більша частина енергії вибуху припадає на короткохвильове рентгенівське та гамма - випромінювання. Довжина хвилі (мкм) Енергія

ВІЛЬГЕЛЬМ ВІН 1864–1928 Лаурет Нобелівської премії з фізики за 1911р. Німецький фізик. Закінчив Берлінський університет, працював асистентом Гельмгольца у Фіз-техн. університеті в Берліні. В 1892-1896 - приват-доцент Берлінського університету, в 1896-1890 - професор Вищої технічної школи в Ахені, професор Вюрцбургського та Мюнхенського університетів. Дослідження з теорії теплового випромінювання, оптики, термодинаміки, гідродинаміки. У 1893 встановив закон зміщення Віна. У 1896 Він одержав формулу для розподілу енергії у спектрі чорного тіла (закон випромінювання Віна), який добре узгоджується з експериментальними даними в області коротких хвиль. У 1907 виміряв довжину хвилі рентгенівських хвиль. Написав кілька книг з гідродинаміки, теоретичної фізики та теорії відносності, протягом тривалого часу був редактором журналу «Annalen der Physik».

Для реальних тіл закон Вина виконується тільки якісно. Зі збільшенням температури будь-якого тіла довжина хвилі, в околі якої тіло випромінює найбільше енергії, також зміщується в бік коротких довжин хвиль. Але це зміщення вже не задовольняє закону зміщення Віна, який для випромінювання реальних тіл можна використовувати тільки як оціночну.      Нічне бачення. Вночі за відсутності сонячного світла людина у темряві перестає бачити оточуючі її предмети. Однак, усі вони, маючи ненульову температуру, випромінюють електромагнітне теплове випромінювання і вночі. За допомогою закону Віна можна оцінити довжину хвилі, на яку припадає максимум випромінювальної здатності тіла, якщо відома його температура. Із цього оцінювання випливає, що при середній температурі тіл порядку 300 К основна енергія їх теплового випромінювання припадає на інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі порядка 10 мкм. Випромінювання у видимій області спектра (0,4 мкм - 0,7 мкм) при таких температурах має занадто малу енергію і не може бути виявлене неозброєним оком.      

Усі тіла, температура яких більша за температуру земної поверхні, можна зафіксувати у мікрохвильовому діапазоні. Побачити такі джерела інфрачервоного випромінювання можна тільки за допомогою спеціальних приладів, в яких мікрохвильове випромінювання реєструється спеціальними датчиками інфрачервоного випромінювання і перетворюється у модульовані електричні сигнали, які керують електронним пучком, що дає на екрані зображення предметів.     У кінці XX ст. відбулася якісна зміна техніки нічного бачення, пов'язана зі створенням електронно-оптичних перетворювачів нового типа. За допомогою сучасних біноклів та прицілів нічного бачення можна отримати в темноті видиме зображення достатньо високої якості людини на відстані кількох сот метрів або рухомого танка на відстані кількох кілометрів. А пілотажні окуляри нічного бачення дозволяють експлуатувати гелікоптери в умовах обмеженого бачення практично повну добу.

CTPETT, Дж. У., лорд Релей 1842 – 1919 Нобелівська премія з фізики, 1904 р. Англійський фізик. Вивчав акустику та оптику, отримав закон розсіювання світла Релея. Серед проведених їм досліджень ми зустрічаємо експериментальні й теоретичні роботи з оптичних приладів, у результаті яких уперше була визначена роздільна здатність дифракційної решітки, а також був зроблений фундаментальний аналіз оптичних властивостей спектроскопів. Після смерті Максвела став директором Кавендішської лабораторій, працював над новою системою одиниць, увів для студентів лабораторні роботи з фізики. Відкрив інертний газ аргон. Його двотомна монографія «Теорія звуку» дотепер залишається незмінним керівництвом для сучасних вчених та інженерів. Опублікував понад 400 робіт за більш ніж п'ятдесят років своєї дослідницької діяльності.

ДЖИНС Джеймс Хопвуд 1877-1946 Англійський фізик і астрофізик. Основні праці з кінетичної теорії газів, теорії теплового випромінювання; фігур рівноваги обертових рідких тіл, будови та еволюції Всесвіту. Серед основних праць Джинса – Динамічна теорія газів (1904); Проблеми космогонії та зоряної еволюції (1919); Астрономія та космогонія (1928). Починаючи з 1928 Джинс зайнявся популяризацією науки. Його найбільш відомі науково-популярні книги – Загадковий Всесвіт , у якій він робить висновок, що Бог – чистий математик; Зірки і їхні долі , Еос, або Космогонія в широкому змісті. Пізніше він звернувся до філософії й написав книги Нові підстави науки та Фізика і філософія.

Формула Планка Планк припустив, що світло випромінюється порціями – квантами. Енергія кванта світла h = 6,626·10–34 Дж·с - стала Планка. Стала Планка – це універсальна константа, яка відіграє у квантовій механіці величезну роль Формула Планка

Навчався у Мюнхенському, потім у Берлінському університеті. Вивчення праць Гельмгольца, Кірхгофа та Клаузіуса призвело до захоплення термодинамікою. Пізніше під впливом теорії Максвела він створив теорію випромінювання абсолютно чорного тіла, де увів поняття кванта. У 1919 г. Планк отримав Нобелівську премію з фізики за 1918 р. “у знак признання його заслуг у ділі розвитку фізики завдяки відкриттю кванті енергії". На церемонії вручення премії один із шведських вчених сказав: "Теорія випромінювання Планка – найяскравіша з из дороговказних зірок сучасного фізичного дослідження, і пройде … ще чимало часу, перед тим як витратяться скарби, які були добуті його генієм". Планк Макс Карл Ернст Людвиг 1858 - 1947 Німецький фізик, Родоначальник квантової механіки