52. Оптическая световая микроскопия и ее использование для исследования объектов судебной экспертизы
В световой микроскопии лучи света от микрообъекта, проходя через систему собирательных линз — объектив и окуляр,- дают в соответствии с законами оптики увеличенное изображение изучаемого образца. Пучок света, проходящий через исследуемый образец или отраженный от него, меняет одну или несколько характеристик (длину волны, интенсивность, фазу или плоскость поляризации), что сопровождается различными оптическими эффектами -— поглощением, отражением, преломлением, дифракцией, интерференцией, дисперсией, люминесценцией и другими, которые в совокупности и составляют изображение. В настоящее время световая микроскопия — это целый комплекс методов, использующих различные оптические эффекты. Наличие тех или иных оптических эффектов, помимо других факторов, зависит от способа освещения: различают микроскопию отраженного и проходящего света. В первом случае пучок света падает перпендикулярно или наклонно на поверхность микрообъекта, а изображение его компонентов строится за счет лучей, отраженных поверхностью; во втором — микрообъект помещается в пучок света, так что изображение его компонентов строится за счет лучей, прошедших через весь объем микрообъекта.
Благодаря многообразию оптических эффектов комплекс микроскопических методов позволяет наглядно выявить наличие различных компонентов в микропробе и их пространственное распределение, а также измерить оптические константы отдельных составляющих, по которым их можно идентифицировать. Чтобы выбрать оптимальную схему микроскопического исследования, необходимо хорошо знать оптические свойства материалов живописи и возможности различных микроскопических методов.
Световые микроскопы — доступные, простые и удобные аналитические приборы. Микроскопы проходящего света состоят из опорного штатива, на оптической оси которого последовательно смонтированы источник света и устройство для его юстировки, полевая диафрагма для ограничения размеров пучка света, конденсор для фокусировки пучка света на микрообъект, встроенная в конденсор апертурная диафрагма для регулирования освещенности препарата, столик для закрепления и перемещения препарата с микрообъектом, а также для фокусировки оптической системы на препарате, фотонасадка. В микроскопах отраженного света между конденсором и объективом помещается полупрозрачный опак-иллюминатор, позволяющий через один объектив освещать микрообъект и наблюдать его в отраженном свете.Увеличение микроскопа равно произведению увеличении объектива и окуляра. Увеличение (например, 10х) обозначается на боковой поверхности объектива и в верхней части окуляра. Смена увеличениу достигается путем смены объективов и окуляров, однако в некоторых современных моделях возможно также плавное изменение увеличения.
Для предварительного просмотра микропроб живописи в отраженном свете, определения ее структуры и примерного состава, а также для приготовления пробы к дальнейшему исследованию и ее микрохимического анализа применяются бинокулярные микроскопы с увеличением до 100х. Они обладают большим полем зрения, а расстояние между объективом и микропробой удобно для препаративной работы. Наличие источника света позволяет работать по методу косого освещения.
Для детального анализа компонентов микропробы наиболее удобны и эффективны поляризационные микроскопы для проходящего и для отраженного света. Эти микроскопы снабжены светосильной оптикой высокого качества, специальным осветителем и бинокуляром, что позволяет получать яркое и четкое стереоизображение при увеличениях до 1000х по методу светлого и темного полей в обычном и поляризованном свете. Обычно микроскопы укомплектованы фотоаппаратом для фиксации микроскопического изображения на фотопленку 35 мм.
53. Люминесцентная микроскопия и ее использование для исследования объектов судебной экспертизы.
Люминесцентный метод микроскопии занимает важное место в исследовании микроорганизмов. Люминесценцией (или флюоресценцией) называют излучение клеткой света за счет поглощенной энергии. Только немногие бактерии (люминесцирующие) способны светиться собственным светом в результате интенсивных процессов окисления, протекающих у них со значительным выделением энергии.
Большинство микроорганизмов приобретает способность люминесцировать, или флюоресцировать, при освещении их ультрафиолетовыми лучами после предварительной окраски специальными красителями — флюорохромами. Поглощая короткие ультрафиолетовые волны, объект излучает более длинные волны видимой части спектра. Вследствие этого разрешающая способность микроскопа повышается. Это дает возможность исследовать более мелкие частицы. Чаще используют красители- флюорохромы: акридин оранжевый, аурамин, корифосфин, флюоресцеин в виде очень слабых водных растворов.
При окраске корифосфином коринебактерии дифтерии дают желто-зеленое свечение в ультрафиолетовом свете, микобактерии туберкулеза при окраске аурамин-родамином — золотисто-оранжевое. Для успешной микроскопии необходим яркий источник света, в качестве которого используют ртутно-кварцевую лампу высокого давления. Между источником света и зеркалом помещают сине-фиолетовый светофильтр, который пропускает только короткие и средние волны ультрафиолетового света. Попав на объектив, эти волны возбуждают в нем люминесценцию. Чтобы увидеть ее, на окуляр микроскопа надевают желтый фильтр, который пропускает длинноволновый свет флюоресценции, возникающий при прохождении лучей через объект. Короткие волны, не поглощенные исследуемым объектом, убираются, отсекаются этим фильтром.
Существуют специальные люминесцирующие микроскопы МЛ-1, МЛ-2, MЛ-3, а также простые устройства: комплект ОИ-17 (опакиллюминатор), ОИ-18 (осветительное устройство с ртутно-кварцевой лампой СВД-120А), дающие возможность применять для люминесцентной микроскопии обычный биологический микроскоп.
54. Электронная микроскопия, ее виды и использование ее для исследования объектов судебной экспертизы.
Электронная микроскопия позволяет с помощью электронного микроскопа исследовать микроструктуру тел при увеличениях до многих сотен тысяч раз (вплоть до атомно-молекулярного уровня), изучить их локальный состав и локализованные на поверхностях или в микрообъёмах тел электрические и магнитные поля (микрополя). Кроме этого, электронная микроскопия - это самостоятельное научное течение, направленное на:
-усовершенствование и разработку новых электронных микроскопов и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним;
-разработку методик препарирования образцов, исследуемых в электронных микроскопах;
-изучение механизмов формирования электроннооптических изображений;
-разработку способов анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с помощью электронных микроскопов.
Некоторые методы электронной микроскопии рассмотрены в разделе "Методика электронной микроскопии".
К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения, отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
В связи с этим мы предлагаем Вам ознакомиться с методами сканирующей туннельной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, атомно-силовой микроскопии.
Методика электронной микроскопии. Область применения электронной микроскопии
В качестве объектов исследований электронная микроскопия использует в основном твёрдые тела. Образцы толщиной от 1 нм до 10 мкм (тонкие плёнки, фольга, срезы и т. п.) изучаются в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ), в которых электроны с энергиями от 1 кэв до 5 Мэв проходят сквозь объект. Непросвечивающие электронные микроскопы: растровые (РЭМ), зеркальные, ионные и электронные проекторы исследуют структуру массивных тел толщиной существенно больше 1 мкм.
Можно изучать порошки, микрокристаллы, частицы аэрозолей и т. д., нанеся их на подложку: тонкую плёнку для исследования в ПЭМ или массивную подложку для исследования в РЭМ.
В дальнейших разжелах описаны некоторые методы электронной микроскопии.
С помощью специальных газовых микрокамер — приставок к просвечивающему или растровому электронному микроскопу — можно изучать жидкие и газообразные объекты, неустойчивые к воздействию высокого вакуума, в том числе влажные биологические препараты. Радиационное воздействие облучающего электронного пучка довольно велико, поэтому при исследовании биологических, полупроводниковых, полимерных и т. п. объектов необходимо тщательно выбирать режим работы электронного микроскопа, обеспечивающий минимальную дозу облучения.
Кроме статических объектов электронная микроскопия позволяет изучать различные процессы в динамике их развития: рост плёнок, деформацию кристаллов под действием переменной нагрузки, изменение структуры под влиянием электронного или ионного облучения и т. д. . Электрон имеет малую инерционность. Это дает возможность исследовать периодические во времени процессы, такие как перемагничивание тонких магнитных плёнок, переполяризацию сегнетоэлектриков, распространение ультразвуковых волн и т. д., применяя методы стробоскопической электронной микроскопии. Электронный пучок «освещает» образец импульсами, синхронными с подачей импульсного напряжения на образец, благодаря чему на экране прибора фиксируется определенная фаза процесса. Предельное временное разрешение при этом может составлять около 10-15 сек для просвечивающего электронного микроскопа (практически реализовано разрешение
10-10 сек для просвечивающего и растрового электронного микроскопа).
Электронные микроскопы используются и в технологических целях (например, для изготовления микросхем методом фотолитографии).
К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения, отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
55. Понятие электромагнитных волн.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 42). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит
при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.
Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 43).
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле — сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 44, а).
Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 44, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 44, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны.
Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.
При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс — детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предметов. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)
56. Источники электромагнитных волн.
Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей.
В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.
Может показаться удивительным, что внешне столь разные физические явления имеют общую основу. В самом деле, что общего между кусочком радиоактивного вещества, рентгеновской трубкой, ртутной газоразрядной лампой, лампочкой фонарика, теплой печкой, радиовещательной станцией и генератором переменного тока, подключенным к линии электропередачи? Как, впрочем, и между фотопленкой, глазом, термопарой, телевизионной антенной и радиоприемником. Тем не менее, первый список состоит из источников, а второй — из приемников электромагнитного излучения. Воздействия разных видов излучения на организм человека тоже различны: гамма- и рентгеновское излучения пронизывают его, вызывая повреждение тканей, видимый свет вызывает зрительное ощущение в глазу, инфракрасное излучение, падая на тело человека, нагревает его, а радиоволны и электромагнитные колебания низких частот человеческим организмом и вовсе не ощущаются. Несмотря на эти явные различия, все названные виды излучений — в сущности разные стороны одного явления.
Скорость распространения в свободном пространстве одинакова для всех типов электромагнитных волн от гамма-лучей до волн низкочастотного диапазона. Но число колебаний в единицу времени (т.е. частота f) меняется в очень широких пределах: от нескольких колебаний в секунду для электромагнитных волн низкочастотного диапазона до 1020 колебаний в секунду в случае рентгеновского и гамма-излучений. Поскольку длина волны дается выражением l = с/f, она тоже изменяется в широких пределах — от нескольких тысяч километров для низкочастотных колебаний до 10-14 м для рентгеновского и гамма-излучений. Именно поэтому взаимодействие электромагнитных волн с веществом столь различно в разных частях их спектра. И все же все эти волны родственны между собой. Электромагнитные волны существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику через вакуум или межзвездное пространство. Например, рентгеновские лучи, возникающие в вакуумной трубке, воздействуют на фотопленку, расположенную вдали от нее, тогда как звук колокольчика, находящегося под колпаком, услышать невозможно, если откачать воздух из-под колпака. Глаз воспринимает идущие от Солнца лучи видимого света, а расположенная на Земле антенна — радиосигналы удаленного на миллионы километров космического аппарата. Таким образом, никакой материальной среды, вроде воды или воздуха, для распространения электромагнитных волн не требуется.
Источники электромагнитного излучения. Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Различают два основных типа источников. В «микроскопических» источниках заряженные частицы скачками переходят с одного энергетического уровня на другой внутри атомов или молекул. Излучатели такого типа испускают гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное, а в некоторых случаях и еще более длинноволновое излучение (примером последнего может служить линия в спектре водорода, соответствующая длине волны 21 см, играющая важную роль в радиоастрономии). Источники второго типа можно назвать макроскопическими. В них свободные электроны проводников совершают синхронные периодические колебания. Электрическая система может иметь самые разнообразные конфигурации и размеры.
Гамма-лучи испускаются самопроизвольно при распаде ядер атомов радиоактивных веществ, например радия. При этом происходят сложные процессы изменения структуры ядра, связанные с движением зарядов. Генерируемая частота f определяется разностью энергий E1 и E2 двух состояний ядра: f = (E1 — E2)/h, где h — постоянная Планка.
Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке в вакууме поверхности металлического анода (антикатода) электронами, обладающими большими скоростями. Быстро замедляясь в материале анода, эти электроны испускают так называемое тормозное излучение, имеющее непрерывный спектр, а происходящая в результате электронной бомбардировки перестройка внутренней структуры атомов анода, в результате которой атомные электроны переходят в состояние с меньшей энергией, сопровождается испусканием так называемого характеристического излучения, частоты которого определяются материалом анода.
Такие же электронные переходы в атоме дают ультрафиолетовое и видимое световое излучение. Что же касается инфракрасного излучения, то оно обычно является результатом изменений, мало затрагивающих электронную структуру и связанных преимущественно с изменениями амплитуды колебаний и вращательного момента импульса молекулы.
В генераторах электрических колебаний имеется «колебательный контур» того или иного типа, в котором электроны совершают вынужденные колебания с частотой, зависящей от его конструкции и размеров. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами — электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов. В генераторах более низких частот колебательный контур состоит из катушки индуктивности (индуктивность L) и конденсатора (емкость C) и возбуждается ламповой или транзисторной схемой. Собственная частота такого контура, которая при малом затухании близка к резонансной.
Переменные поля очень низких частот, используемые для передачи электрической энергии, создаются электромашинными генераторами тока, в которых роторы, несущие проволочные обмотки, вращаются между полюсами магнитов.
Излучение и распространение электромагнитных волн. Движущиеся с ускорением электрические заряды и периодически изменяющиеся токи воздействуют друг на друга с некоторыми силами. Величина и направление этих сил зависят от таких факторов, как конфигурация и размеры области, содержащей заряды и токи, величина и относительное направление токов, электрические свойства данной среды и изменения в концентрации зарядов и распределении токов источника. Из-за сложности общей постановки задачи закон сил нельзя представить в виде одной формулы. Структура, именуемая электромагнитным полем, которую при желании можно рассматривать как чисто математический объект, определяется распределением токов и зарядов, создаваемым заданным источником с учетом граничных условий, определяемых формой области взаимодействия и свойствами материала. Когда речь идет о неограниченном пространстве, эти условия дополняются особым граничным условием — условием излучения. Последнее гарантирует «правильное» поведение поля на бесконечности.
Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля E и вектором магнитной индукции B, каждый из которых в любой точке пространства имеет определенную величину и направление. Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны: они представляют собой компоненты единого электромагнитного поля, поскольку переходят друг в друга при преобразованиях Лоренца. Говорят, что векторное поле линейно (плоско) поляризовано, если направление вектора остается всюду фиксированным, а его длина периодически изменяется. Если вектор вращается, но длина его не меняется, то говорят, что поле имеет круговую поляризацию; если же длина вектора периодически изменяется, а сам он вращается, то поле называется эллиптически поляризованным.
Прием электромагнитных волн и явление рассеяния. Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и, кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны).
Отражение и преломление электромагнитных волн. Передающую антенну обычно устанавливают высоко над поверхностью земли. Если антенна находится в сухой песчаной или скалистой местности, то грунт ведет себя как изолятор (диэлектрик), и токи, индуцируемые в нем антенной, связаны с внутриатомными колебаниями, поскольку здесь нет свободных носителей заряда, как в проводниках и ионизованных газах. Эти микроскопические колебания создают над поверхностью земли поле отраженной от земной поверхности электромагнитной волны и, кроме того, изменяют направление распространения волны, входящей в грунт. Эта волна движется с меньшей скоростью и под меньшим углом к нормали, чем падающая. Такое явление называется преломлением. Если же волна падает на участок поверхности земли, имеющий, наряду с диэлектрическими, также и проводящие свойства, то общая картина для преломленной волны выглядит намного сложнее. Как и прежде, волна меняет направление движения у границы раздела, но теперь поле в грунте распространяется таким образом, что поверхности равных фаз уже не совпадают с поверхностями равных амплитуд, как это обычно имеет место в случае плоской волны. Кроме того, быстро затухает амплитуда волновых колебаний, поскольку электроны проводимости при столкновениях отдают свою энергию атомам. В результате энергия волновых колебаний переходит в энергию хаотического теплового движения и рассеивается. Поэтому там, где грунт проводит электричество, волны не могут проникнуть в него на большую глубину. То же самое относится и к морской воде, чем затрудняется радиосвязь с подводными лодками.
В верхних слоях земной атмосферы располагается слой ионизованного газа, который называется ионосферой. Он состоит из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Под действием посылаемых с земли электромагнитных волн заряженные частицы ионосферы начинают колебаться и излучать собственное электромагнитное поле. Заряженные ионосферные частицы взаимодействуют с посланной волной примерно так же, как и частицы диэлектрика в рассмотренном выше случае. Однако электроны ионосферы не связаны с атомами, как в диэлектрике. Они реагируют на электрическое поле посланной волны не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе. В результате волна в ионосфере распространяется не под меньшим, как в диэлектрике, а под бóльшим углом к нормали, чем посланная с земли падающая волна, причем фазовая скорость волны в ионосфере оказывается больше скорости света c. Когда волна падает под некоторым критическим углом, угол между преломленным лучом и нормалью становится близок к прямому, а при дальнейшем увеличении угла падения излучение отражается в сторону Земли. Очевидно, что в этом случае электроны ионосферы создают поле, которым компенсируется поле преломленной волны в вертикальном направлении, а ионосфера действует как зеркало.
Энергия и импульс излучения. В современной физике выбор между теорией электромагнитного поля Максвелла и теорией запаздывающего дальнодействия делается в пользу теории Максвелла. До тех пор, пока нас интересует только взаимодействие источника и приемника, обе теории одинаково хороши. Однако теория дальнодействия не дает никакого ответа на вопрос, где находится энергия, которую уже излучил источник, но еще не принял приемник. Согласно теории Максвелла, источник передает энергию электромагнитной волне, в которой она и находится, пока не будет передана поглотившему волну приемнику. При этом на каждом этапе соблюдается закон сохранения энергии.
Таким образом, электромагнитные волны обладают энергией (а также импульсом), что заставляет считать их столь же реальными, как, например, атомы. Электроны и протоны, находящиеся на Солнце, передают энергию электромагнитному излучению, в основном в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра; примерно через 500 с, достигнув Земли, оно эту энергию отдает: повышается температура, в зеленых листьях растений происходит фотосинтез, и т.д. В 1901 П.Н.Лебедев экспериментально измерил давление света, подтвердив, что свет имеет не только энергию, но и импульс (причем соотношение между ними согласуется с теорией Максвелла).
Фотоны и квантовая теория. На рубеже 19 - 20 вв., когда казалось, что исчерпывающая теория электромагнитного излучения, наконец, построена, природа преподнесла очередной сюрприз: оказалось, что помимо волновых свойств, описываемых теорией Максвелла, излучение проявляет также свойства частиц, причем тем сильнее, чем короче длина волны. Особенно ярко эти свойства проявляются в явлении фотоэффекта (выбивания электронов из поверхности металла под действием света), открытого в 1887 году Г.Герцем. Оказалось, что энергия каждого выбитого электрона зависит от частоты n падающего света, но не от его интенсивности. Это свидетельствует о том, что энергия, связанная со световой волной, передается дискретными порциями — квантами. Если увеличивать интенсивность падающего света, то растет число выбитых в единицу времени электронов, но не энергия каждого из них. Иными словами, излучение передает энергию определенными минимальными порциями — как бы частицами света, которые были названы фотонами. Фотон не имеет ни массы покоя, ни заряда, но обладает спином, а также импульсом, равным hn/c, и энергией, равной hn; он перемещается в свободном пространстве с постоянной скоростью c.
57. Способы исследования электромагнитных волн различной длины.
Способы исследования электромагнитных волн различной длины. Электромагнитные волны, применяемые в радиотехнике, имеют длину от нескольких километров до нескольких сантиметров. Электромагнитные же волны, представляющие собой свет, характеризуются длиной волны в несколько десятых микрометра. Это простое сопоставление показывает, что количественное различие в длине волны приводит к глубокому качественному различию во многих свойствах и особенностях электромагнитных волн. Возникает важная задача ближе ознакомиться со свойствами электромагнитных волн разной длины. Для разделения волн различной длины обычно применяют какой-либо способ разложения сложного излучения в спектр. В случае видимого света для этой цели можно воспользоваться дифракционной решеткой (см. § 136) или призмой (см. § 86).
Рассматривая полученный на экране спектр, мы убеждаемся в возможности по цвету различать глазом волны различной длины. Однако, как уже неоднократно указывалось, глаз воспринимает только те электромагнитные волны, длина которых лежит в пределах (приблизительно) от 400 до 760 нм. Границы эти, конечно, довольно неопределенны, и отдельные наблюдатели способны «видеть» волны и несколько более короткие (примерно до 370 нм) и несколько более длинные (около 800 нм). Необходимо поэтому найти более общий способ обнаружения электромагнитных волн, чем наблюдение при помощи глаза.
Так как распространяющаяся электромагнитная волна любой длины несет энергию, то таким более общим способом может явиться измерение энергии волны. Наиболее удобный для этой цели прием заключается в превращении электромагнитной энергии волны во внутреннюю энергию вещества, возрастание которой сопровождается нагреванием тела. Нагревание тел обнаруживается очень хорошо при помощи чувствительных термометров, например термоэлементов (см. т. II, § 83). Частичное превращение энергии электромагнитных волн во внутреннюю энергию происходит всякий раз, когда эти волны падают на какое-либо вещество и более или менее сильно поглощаются им. Опыт обнаружил, что некоторые черные вещества, например сажа, практически полностью поглощают энергию, приносимую световыми волнами различной длины. Именно поэтому они и представляются черными, т. е. не отражающими свет.
Покрыв налетом сажи чувствительную часть термоэлемента, можно, передвигая его по спектру, изучать электромагнитные волны в широком интервале длин волн. На рис. 297 изображено расположение элементов оптической
Рис. 297. Схема опыта по исследованию распределения энергии в спектре: 1, 2, 3, 4 — части спектрального аппарата, дающего спектр источника в плоскости 5, 6—термоэлемент, могущий перемещаться вдоль спектра, 7 — гальванометр, Ф — фиолетовая граница спектра, Кр — красная граница спектра
системы, пригодное для указанной цели. Измерив нагревание термоэлемента, можно вычислить энергию, приходящуюся на соответствующую область спектра, т. е. судить о распределении энергии по спектру. Такие энергетические измерения дают результаты, отличные от заключений, которые делает глаз. Действительно, человеку, воспринимающему свет глазом, желтая или зеленая часть спектра света дугового фонаря кажется гораздо ярче, чем красная, тогда как термоэлемент обнаруживает в красной части большее нагревание. Причина лежит в особенностях глаза, чувствительность которого к разным цветам различна (см. § 68) и который поэтому не дает правильных показаний относительно распределения энергии по спектру. Термоэлемент же — вполне «беспристрастный» прибор, ибо для всех длин волн он дает возможность судить о внутренней энергии, в которую переходит энергия света при поглощении.
58. Шкала электромагнитных волн.
Шкала электромагнитных волн. Мы назвали ультрафиолетовыми волнами электромагнитные волны, длина которых меньше 400 нм (4000 Å), а инфракрасными — волны с длиной, превышающей 760 нм (7600 Å). Совершенно ясно, что границы эти довольно произвольны, и нет никакого резкого изменения в свойствах при переходе от крайних фиолетовых волн к ультрафиолетовым или от крайних красных к инфракрасным. Поэтому указания, где начинаются ультрафиолетовые или инфракрасные волны, имеют лишь условный характер. Так же условно и указание, где кончаются ультрафиолетовые и инфракрасные области спектра.
При исследованиях этих областей серьезным затруднением является то обстоятельство, что большинство материалов, прозрачных для видимого света, сильно поглощает
*) Использование дифракции рентгеновских лучей на обычных дифракционных решетках (см. § 138) для точного определения длины волны было предложено значительно позже.
**) Способность излучения проникать через вещество называется жесткостью этого излучения.
более короткие и более длинные волны. Улучшение техники эксперимента все же дало возможность получить и исследовать инфракрасные волны длиной до нескольких сот микрометров. С другой стороны, оказалось возможным электрическими способами получить радиоволны, длина которых также выражается сотнями микрометров. Таким образом, мы имеем непрерывный переход от видимого света через инфракрасные волны крадиоволнам.
Наши сведения о коротковолновой области спектра также пополнялись, так сказать, с двух концов. С одной стороны, улучшение техники работы с ультрафиолетовыми волнами позволило спуститься приблизительно до 5 нм (50 Å). С другой стороны, с течением времени были найдены способы получать и исследовать рентгеновские волны (см. § 154) длиной в несколько десятков нанометров. Таким образом, и в области коротких электромагнитных волн мы имеем непрерывный переход от видимого света через ультрафиолетовые волны к рентгеновским сколь угодно малой длины. Весьма короткие электромагнитные волны наблюдаются в излучении радиоактивных веществ (так называемое -излучение, см. § 211) в космических лучах, а также при ударах очень быстрых электронов, разгоняемых ускорителями (см. § 216).
Вся шкала электромагнитных волн уже была приведена и описана в § 58 (см. рис. 125).
Электромагнитная теория света. Шкала электромагнитных волн. Теория электромагнитных волн позволила объяснить с единой точки зрения множество разнообразных электромагнитных явлений. Но из этой теории вытекал еще один вывод огромной важности.
Пользуясь данными, полученными из измерения чисто электрических величин (сил взаимодействия между токами и между зарядами), Максвелл смог вычислить скорость, с которой должны распространяться электромагнитные волны. Результат оказался поразительным: скорость получилась равной 300 000 км/с, т. е. совпала с измеренной оптическими способами скоростью света. Максвелл выдвинул тогда смелое предложение, что свет по природе своей
*) То есть к инфракрасным,
есть электромагнитное явление, что световые волны — это лишь разновидность электромагнитных волн, а именно, волны с очень высокими частотами, порядка 1015 герц.
Опыты Герца, доказавшие существование электромагнитных волн и позволившие подтвердить заключение Максвелла о том, что эти волны распространяются с такой же
Рис. 124. Приборы Лебедева для опытов с электромагнитными волнами длиной 6 мм
скоростью, как и свет, послужили сильным доводом в пользу электромагнитной теории света. Множество других явлений, как из числа известных ранее, так и открытых впоследствии, показало настолько тесную связь между оптическими и электромагнитными явлениями, что электромагнитная природа света превратилась из предположения в твердо установленный факт.
Исследования, производившиеся в самых разнообразных областях физики, позволили установить, что диапазон частот или длин электромагнитных волн *) чрезвычайно широк. В этой главе мы ограничиваемся только электромагнитными волнами в узком понимании этого термина, т. е. такими, длина которых превышает сотые доли миллиметра и которые в большинстве своем используются в радиотехнике и поэтому называются радиоволнами. С другими, более короткими электромагнитными волнами, с их особыми свойствами, со способами их получения и наблюдения мы познакомимся в следующих разделах. Однако уже здесь мы приведем диаграмму, которая дает представление обо всей шкале электромагнитных волн.
Рис. 125. Шкала электромагнитных волн: 1 ГГц=103 МГц=109 Гц 1нм=10-3 мкм=10-9 м
Эта диаграмма (рис. 125) построена несколько необычно ввиду огромного различия длин волн. На горизонтальной прямой на равных расстояниях друг от друга нанесены метки, соответствующие длинам, каждая из которых отличается в десять раз от соседней. Это и есть шкала длин волн , начинающаяся на нашей диаграмме слева с =10 км и заканчивающаяся значением =0,001 нм. Разумеется, 10 км слева и 0,001 нм справа — это границы рисунка, а не самой шкалы электромагнитных волн, которую можно представить себе продолженной в обе стороны.
Под шкалой длин волн нанесена шкала соответствующих им частот колебаний v. Продолжая шкалу влево, мы переходим ко все более длинным волнам, т. е. ко все более низким частотам, пока не дойдем, наконец, до частоты v=0, т. е. до постоянного, не меняющегося со временем тока. Можно сказать, что такому току соответствует бесконечно большая длина волны, но это, конечно, чисто формальное утверждение. С уменьшением частоты условия излу-
*) Напомним, что частота и длина волны связаны соотношением =c/, где c=300 000 км/с.
чения делаются все хуже (§ 55), и постоянный ток, который должен был бы излучать «бесконечно длинную» волну, просто ничего не излучает. Нашу диаграмму можно продолжать и вправо, переходя ко все более высоким частотам и соответственно все более коротким волнам.
На диаграмме указаны участки (или ), занимаемые различными видами электромагнитных волн. Как сказано, в этой главе мы ограничиваемся только левым участком, который начинается с «бесконечно длинных» волн и кончается в области сотен микрометров, т. е. тянется от «нулевой частоты» до частот в десятки тысяч гигагерц. Мы видим, что этот участок волн, которые получают электрическими способами, перекрывается на своем коротковолновом конце с инфракрасными (тепловыми) волнами. Это значит, что волну, длина которой, например, 0,05 мм можно получить и посредством электрических колебаний, и тепловым способом, т. е. при излучении нагретого тела.
Еще не так давно на шкале электромагнитных волн не было таких перекрываний, а, наоборот, имелись пробелы. В частности, был пробел между электромагнитным диапазоном (в узком смысле) и инфракрасными волнами. Электромагнитные волны были получены длиной до 6 мм (Лебедев), а тепловые — до 0,343 мм (Рубенс).
В 1922 г. советский физик Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева (1884— 1945) ликвидировала этот пробел, получив электромагнитные волны длиной от |1 см до 0,35 мм с помощью придуманного ею прибора, названного массовым излучателем.
Схема этого прибора показана на рис. 126. В сосуде 1 находятся мелкие металлические опилки, взвешенные в трансформаторном масле. Не показанная на рисунке мешалка все время поддерживает опилки во взвешенном состоянии, не давая им осесть на дно. Вращающееся колесико 2 захватывает смесь и окружается ею наподобие шины. С помощью Проводов 3, присоединенных к индуктору, через смесь пропускается искровой разряд. Металлические опилки образуют при своем движении множество случайных пар, которые играют роль маленьких вибраторов и при разряде излучают короткие волны. Так как размеры случайно образующихся вибраторов различны и колебания в них не гармонические, а затухающие, в излучении присутствуют одновременно все длины волн указанного выше диапазона. Можно сказать, что массовый излучатель испускает «электромагнитный шум», а не «аккорд» или «ноту».
Рис. 126. Массовый излучатель Глаголевой-Аркадьевой
В массовом излучателе преодолены две основные трудности, неизбежно возникающие при попытке использовать один-единственный вибратор столь малых размеров. Во-первых, такой единственный вибратор дает ничтожно слабое излучение. В массовом же излучателе одновременно работает много вибраторов. Во-вторых, в одном вибраторе опилки быстро сгорают от искры. В приборе Глаголевой-Аркадьевой этого не происходит, так как в области разряда опилки непрерывно сменяются.
59. Видимая и невидимая зоны шкалы электромагнитных волн. Свойства электромагнитного излучения в различных областях спектра
Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазон частот.
Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).
Радиоволны
Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения, хотя их всё же приходится учитывать, в частности, при описании квантовых генераторов и усилителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов, а также молекулярных стандартов частоты и времени, при охлаждении аппаратуры до температур в несколько кельвинов.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.
Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Микроволновое излучение
Основная статья: Микроволновое излучение
Инфракрасное излучение (тепловое)
Основная статья: Инфракрасное излучение
Основная статья: Тепловое излучение
Видимое излучение (оптическое)
Основная статья: Видимое излучение
Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи[5].
Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).
Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов по Кельвину и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.
Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения (см.: Закон смещения Вина). При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие (см.: Болометрия).
Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез — биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца.
Ультрафиолетовое излучение
Основная статья: Ультрафиолетовое излучение
Жёсткое излучение
Основная статья: Рентгеновское излучение
Основная статья: Гамма-излучение
В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения.
Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц.
60. Ультрафиолетовая, инфракрасная микроскопия и использование ее для исследования объектов судебной экспертизы.
Ультрафиолетовая и люминесцентная микроскопия проводится на специальных ультрафиолетовых микроскопах, конструктивно схожих с соответствующими приборами для видимого света. В этих микроскопах применяется оптика из кварцевого стекла, прозрачного для ультрафиолетовых лучей в области 220-400 нм. В качестве источников света используется ртутная лампа высокого давления.
Помимо специальных приборов, в области 360-400 нм, ограниченной пропусканием стеклянной оптики, можно работать на любых световых микроскопах, если использовать в качестве источников света осветитель с галогеновой лампой и набором светофильтров.
Исследование микропроб живописи на ультрафиолетовых микроскопах проводят обычно в свете видимой люминесценции либо в отраженных ультрафиолетовых лучах на шлифах.
На некоторых современных приборах невидимое ультрафиолетовое изображение преобразуется в видимое с помощью флуоресцентных экранов или электронно-оптических преобразователей, и тогда в отраженных ультрафиолетовых лучах можно работать как на обычных световых микроскопах. Если указанные преобразователи отсутствуют, изображение регистрируют фотографически.
Если поместить компоненты микропробы в постоянный или временый иммерсионный препарат, используя для этого кварцевое стекло и нелюминесцируюшие прозрачные в ультрафиолетовой области иммерсионные жидкости, то можно проводить микроскопическое исследование в проходящем ультрафиолетовом свете при больших увеличениях 200-600x по методу светлого или темного поля.
По сравнению с обычной ультрафиолетовая микроскопия имеет ряд важных преимуществ при исследовании микропроб живописи, которые особенно наглядны при стратиграфическом анализе шлифов: в ультрафиолетовой области возрастает разрешающая способность микроскопа, многие бесцветные (не поглощающие в видимой области) компоненты живописи, трудно различимые в обычном микроскопе, обладают «ультрафиолетовой окраской». Кроме того, многие минеральные и органические пигменты, имеют в ультрафиолетовой области более интенсивные, чем в видимой, максимумы поглощения. Спектры поглощения в ультрафиолетовой области многих желтых и бесцветных материалов живописи очень круто спадают в сторону длинных волн, благодаря чему микроскопическое изображение в отраженных ультрафиолетовых лучах получается очень контрастным.
При освещении препарата ультрафиолетовым излучением микроскопическое изображение помимо перечисленных выше эффектов, строится также за счет люминесценции, что позволяет наглядно выявить в микропробе компоненты-люминофоры и их пространственное распределение, а также получить информацию об их составе по основным люминесцентным характеристикам — цвету и интенсивности свечения.
Инфракрасная микроскопия. Осуществляется на специальных инфракрасных микроскопах, снабженных электронно-оптическими преобразователями. Фотофиксация инфракрасного изображения не требует ни специальных приборов, ни осветителей. На обычном световом микроскопе с лампой накаливания в качестве источника света можно фотографировать микроскопическое изображение в инфракрасных лучах, если применять фотопластинки, чувствительные в инфракрасной области 0,8-1,5 мкм.
Наводка на резкость из-за различий в величине фокусного расстояния объективов в видимой и инфракрасной областях требует соблюдения тех же правил, что и при обычной фотосъемке на инфракрасных фотоматериалах.
61. Дисперсия и цвет тел.
(смотри 39 вопрос)
62. Понятие спектра. Типы спектров, используемых в судебной экспертизе.
|
Скачать 2.91 Mb.