Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
Исследование в поляризованном свете. Метод связан с визуали- зацией объекта или его элементов в поляризованном свете в результате изменения направления поляризации света и проявления анизотропных свойств объекта. Особенностью микроскопа является наличие в оптиче- ской схеме поляфильтров: в осветительной части — поляризатора, а в промежутке между объективом и окуляром — анализатора. Наблюдение производится тогда, когда оба поля фильтра разверну- ты друг относительно друга, и при этом в выходном зрачке микрообъек- тива наблюдается максимальное затемнение. Исследования в свете люминесценции. Метод основан на наблю- дении микроскопических объектов с использованием их способности к свечению. По сравнению с методами обычной микроскопии исследова- ние в свете люминесценции обладает рядом преимуществ: цветное све- чение, высокая степень контрастности светящихся объектов на темном фоне, возможность исследования как прозрачных, так и непрозрачных живых объектов, а также различных жизненных процессов в динамике их развития, обнаружения и установления локализации отдельных мик- робов и вирусов. Ответы на экзаменационные вопросы 67 18. Распространение электромагнитных волн в веществе. Полное внутреннее отражение. Световоды. Поглощение све- та. Закон поглощения света (вывод). При распространении световой волны в веществе электронные об- лака молекул вещества начинают колебаться под действием переменно- го электрического поля падающей электромагнитной волны. Ускоренное движение зарядов приводит к излучению электромаг- нитных волн той же частоты (аналогично вынужденным колебаниям). В направлении колебаний диполь не излучает. Однако вторичные волны, излучаемые колеблющимися диполями вещества, отстают по фа- зе от падающей на вещество волны. Скорость вторичных волн в веще- стве меньше, чем скорость основной волны в вакууме. v c n , где n – показатель преломления; с – скорость волны в среде; v – скорость волны в вакууме. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение Луч – направление, в котором распространяется свет. Закон отражения: Луч, падающий, отраженный и нормаль, восстановле нная к границе (точке) падения луча, лежат в одной плоск ости. Физика стоматологический факультет 68 Угол отражения – угол между нормалью и отраженным лучом. Закон преломления: Луч, падающий, пр еломленный и нормаль, восстановле нная к границе (точке) падения луча, лежат в одной плоск ости. Угол преломления – угол между нормалью и преломленным лу- чом. Если луч света направить на границу двух сред с разными показа- телями преломления (n 1 , n 2 ), то возможен различный ход лучей (см. ри- сунок) Если свет падает из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, то угол преломления мень- ше угла падения. β α 1 2 α α \ β β=α Ответы на экзаменационные вопросы 69 Если свет падает из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, то угол преломления боль- ше угла падения. Рассмотрим более подробно случай, когда свет идет из среды с большим показателем преломления проникает в среду с меньшим пока- зателем преломления. По мере увеличения угла падения увеличивается и угол преломления. При некотором значении угла падения пр (назовем его предельным) преломленный луч распространяется вдоль границы раздела ( = ). Если световой луч пустить на границу под углом > пр , то он вообще не проникает во вторую среду. Вся световая энергия отражается – это называется полным внутренним отражением. Условия наблюдения явления полного внутреннего отражения: n 1 < n 2 , т.е. свет идет из среды более плотной в среду менее плотную; угол падения больше предельного угла > пр . При этом вы- полняется соотношение: sin( пр ) = n 2 /n 1 Явление полного внутреннего торможения в медицине использует- ся в гибких световодах. Физика стоматологический факультет 70 Световоды Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного вещест- вом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Это используется для внутрен- него освещения и передачи изображения Эндоскопы – оптико-механические приборы, вводимые во внут- ренние органы и полости организма для осмотра и проведения неслож- ных операций. Эндоскоп состоит из источника света и смотровой части. Поглощение света Если частота падающей волны близка к частоте собственных коле- баний электронов в простой молекуле/молекулярной группе, то проис- ходит поглощение световой энергии и переход ее в другую форму энер- гии (аналог – резонанс). Следствием этого является ослабление интен- сивности падающего на вещество пучка света. стекло воздух объект Регистрирующее устройст- во Канал связи изображение Канал для подачи Н 2 О и воздуха Световоды для освещения Инструментальный канал Ответы на экзаменационные вопросы 71 dI - интенсивность света, поглощенного слоем dx kIdx dI , где k – натуральный показатель поглощения. kdx I dI L I I dx kdx I dI L 0 0 L I I kx I L 0 0 ln kL I I L 0 ln ln kL L L e I I kL I I 0 0 ln kL L e I I 0 - закон Бугера – закон поглощения света k зависит от длины волны L k L e I I 0 L I L I 0 I 0 L X I 0 >I>I L dx Физика стоматологический факультет 72 Рис. 23. Волновые спектры. Линейчатый спектр (рис. 23 А) имеют одноатомные газы. Полосо- вые спектры (рис. 23 Б) свойственны молекулам, они состоят из огром- ного количества линий поглощения, соответствующих колебательным и вращательным движениям молекул, поэтому спектр каждой молекулы индивидуален. Атом/молекула находятся в стационарных состояниях. При кванто- вых переходах они скачкообразно переходят с одного энергетического уровня на другой. При переходе с более высокого энергетического уровня на низкий происходит излучение энергии. Излучаемая молеку- лой/атомом энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая – спектр поглощения. По виду спектра можно идентифицировать атом или молекулу (качественный спектральный анализ); по интенсивности спектральных линий – количество излучаемых атомов (количественный спектральный анализ). В зависимости от энергии (частоты) фотона испускаемо- го/поглощаемого атомом различают различные виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излучения и рентгеновская спектро- скопия. Закон поглощения для растворов – закон Бугера–Ламберта–Бэра. cL L I I 10 0 , где cL L I I 10 0 – молярная концентрация раствора L – толщина слоя вещества – молярный показатель поглощения Стандартные характеристики поглощения: τ - коэффициент пропускания 0 I I L k λ I I 0 L А Б λ Ответы на экзаменационные вопросы 73 D – оптическая плотность cL I I D L 0 lg 1 lg Зная на данной длине волны и длину кюветы, в которую залит раствор, можно рассчитать концентрацию раствора. 19. Поляризация света. Свет естественный и линейно по- ляризованный. Двойное лучепреломление, призма Николя. Явление Брюстера. Анализ степени поляризации света. За- кон Малюса. Вращение плоскости поляризации. Закон Био. В луче естественного света (например, от лампочки) колебания век- тора E с течением времени хаотически меняют свои направления отно- сительно плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Рис. 24. Направление вектора в луче естественного и плоскополяризованного света. Если достигнуть упорядоченности направления колебаний вектора E , то мы получим плоскополяризованный свет, вектор которого E ко- леблется в одной плоскости. E1 E2 E3 B1 B3 B2 естественный свет E B плоскополяризованный свет Физика стоматологический факультет 74 Рис. 25. Распространение световой волны в пространстве. Плоскость, проходящая через вектор E в направлении распростра- нения электромагнитной волны, называется плоскостью поляризации. Плоско (линейно) поляризованный свет – свет, у которого плос- кость поляризации не меняется во времени. Способы получения поляризованного света: 1 . Двойное лучепреломление Встречаются среды, показатели преломления которых различаются для света линейно поляризованного в том или ином направлении. Это либо кристаллы, либо вещества, состоящие из вытянутых в определен- ном направлении молекул. Такие среды называются анизотропными. Электроны легче приходят в колебательное движение в одном направ- лении под действием электромагнитной волны и хуже в перпендику- лярном. Естественный свет в таких средах распадается на 2 волны с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации и разными показате- лями преломления. E B n E – Вектор напряженности электрического поля В – Вектор индукции магнитного поля n – Направление распространения Ответы на экзаменационные вопросы 75 Рис. 26. Распространение луча естественного света в анизотропной среде. Призма Николя сделана из кристалла исландского шпата. Кри- сталл разрезан и склеен канадским бальзамом. 0 n n n бальзама e - не- обходимое условие полного внутреннего отражения, где e n - показа- тель преломления необыкновенного луча, бальзама n - показатель прелом- ления бальзама, 0 n - показатель преломления обыкновенного луча. Обыкновенный луч, попадая на границу склейки под углом больше предельного, испытывает полное внутреннее отражение на границе ис- ландский шпат - канадский бальзам, из призмы выходит только не- обыкновенный луч, поляризованный в главной плоскости призмы. о е N N ' анизотропная сре- да е – необыкновенный луч, скорость распространения которого для раз- личных направлений различна. NN' – оптическая ось Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных направ- лениях о – обыкновенный луч, скорость распространения которого одинако- во во всех направлениях, фронт распространения - окружность Рис. 43. Призма Николя Физика стоматологический факультет 76 2 . Явление Брюстера При падении света на границу двух диэлектриков отраженный и преломленный свет частично поляризуются. Если угол падения на гра- ницу соответствует условию 1 , 2 1 2 n n n tg iБ , то отраженный луч пол- ностью поляризуется. Он составляет с преломленным угол 90˚. Высокая степень поляризации отраженного луча объясняется тем, что под дейст- вием падающей волны колеблющиеся молекулярные диполи во второй среде не могут излучать в направлении, перпендикулярном отраженной волне. Следовательно, в отраженном свете должны присутствовать ко- лебания в направлении перпендикулярном направлению распростране- ния преломленного луча. Если падающий луч поляризован в плоскости падения, то отраженного луча не будет. Закон Малюса (анализ степени поляризации света) Для анализа степени поляризации света используется призма Нико- ля, которая может быть рассмотрена как анализатор. Поляризатор - устройство, позволяющее получать поляризован- ный свет из естественного света. При вращении поляризатора относи- тельно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его не из- меняется. Поляризатор можно использовать для анализа поляризован- ного света, тогда его называют анализатором. Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического вектора 0 E падает на анализатор, то он пропустит только некоторую составляющую, равную cos 0 E E , где – угол между главными плоскостями поляризатора Р и анализатора А. 90˚ n 1 n 2 Ответы на экзаменационные вопросы 77 Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплиту- ды, то cos 0 I I - Закон Малюса где 0 I – интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор; I – интенсивность света, вышедшего из анализатора. При повороте анализатора относительно луча падающего плоско- поляризованного света интенсивность меняется от нуля до I 0 . Если при повороте анализатора относительно падающего луча к оси вращения интенсивность прошедшего света не меняется, то свет может быть есте- ственным. Если при этом интенсивность изменяется по закону Малюса, то падающий свет плоскополяризован. Рис. 27. Схема прохождения луча света через поляризатор и анализатор Вращение плоскости поляризации. Закон Био. Вещества, молекулы которых существуют в двух модификациях, могут поворачивать плоскость поляризации света. Оптически активными являются многие кристаллы (например, кварц) и жидкие кристаллические тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных раство- рителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфо- ры). Для растворов был установлен следующий количественный закон: φ А Р Е Е E φ P A I Физика стоматологический факультет 78 l C 0 - закон Био где C – концентрация оптически активного вещества l - толщина слоя раствора 0 – удельное вращение, которое пропорционально квадрату длины волны и зависит от температуры и свойств растворителя. Закон Био лежит в основе измерения концентрации растворенных веществ. Соответствующие измерительные приборы – поляриметры. Рис. 28. Схема прохождения света через поляриметр. 20. Тепловое излучение тел. Характеристики испускания и поглощения электромагнитных излучений. Закон Кирхгофа. Абсолютно чёрное тело. Законы излучения абсолютно чёрного тела. Тепловидение и его применение в медицине. Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. Электро- магнитное излучение нагретых тел, т.е. обусловленное возбуждением атомов и молекул при столкновении называется тепловым. Оно свойст- венно всем телам при T > 0. При этом тело одновременно излучает и поглощает падающее на него излучение от окружающих тел. Характеристики излучения и поглощения. Поток излучения dt dE Ф - количество энергии излученной в еди- ницу времени или средняя мощность излучения в Ваттах. Ответы на экзаменационные вопросы 79 Излучение Поглощение Энергетическая светимость - поток электромагнит- ного излучения, испускаемый с единицы площади поверхности тела. [R]= 2 2 м Вт м с Дж Зависит от Т,λ и природы тела Фпад Фпогл - коэффициент поглощения Зависит от Т,λ и природы тела r – спектральная плотность энергетической све- тимости (энергетическая светимость узкого участка спектра, деленная на ширину этого участка) Рис. 29. График зависимости спектральной плотно- сти от длины волны. dx r R т 0 T , – монохроматический ко- эффициент поглощения 1 0 1 абсолютно черное тело 1 –серое тело ( =0,9) ) 1 ( ) ( ) ( 2 1 ЧТ r r r - закон Киргофа При одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматич е- скому коэффициенту поглощения одинаково для всех тел, в том числе абсолютно черных ε = r черного тела (ЧТ) = спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела Законы излучения абсолютно черного тела. Экспериментально полученный спектр излучения абсолютно чер- ного тела был теоретически объяснен Планком. Гипотеза – свет испус- кается порциями (квантами). В этом случае излучающее тело представ- ляет собой набор колеблющихся диполей, меняющих свою энергию на величину кратную (частота излучения), где h - постоянная Планка. T=const λ r λ Физика стоматологический факультет 80 c h h , где с - скорость света - длина волны для абсолютно черного тела 1 1 2 / 5 2 RT hc e hc r , где - спектральная плотность энергетической светимости абсо- лютно черного тела 4 0 0 T dx R т , где 0 - постоянная Стефана Больцмана 4 0 T R т - |