Optikai mérések Nagy Katalin A fény tulajdonságai, bevezetés

Fény A fény elektromágneses sugárzás Elektromágneses sugárzás: egymásra merőlegesen haladó, oszcilláló elektromos és mágneses tér, mely a térben hullám formájában terjed. E – elektromos térerő H – mágneses térerő

Elektromágneses sugárzások minőségi jellemzői Frekvencia Jele: f vagy ν [1/s = s-1 = Hz = c/s = cps] A másodpercenkénti rezgések száma. Terjedési sebesség Jele: c [m/s] Fénysebesség az elektromágneses hullámok terjedési sebessége. Vákuumban értéke kb. 3·108 m/s. Értéke függ a közegtől. Más közegben a terjedési sebesség kisebb. Hullámhossz Jele: λ [m] Az a legrövidebb távolság, mely során a hullám megismétlődik.

Elektromágneses sugárzások minőségi jellemzői Kapcsolat a minőségi jellemzők közt: c = ν·λ Hullámszám Egyes esetekben, pl. IR tartományban használják a hullámhossz helyett. Jele: σ [m-1] Egységnyi hosszúságra eső hullámok száma. σ = 1/λ

Az elektromágneses spektrum Forrás: http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/ff/02-eghajlat/images/006.png

A spektrum látható tartománya Ibolya: 400 - 420 nm Indigókék: 420 - 440 nm Kék: 440 - 490 nm Zöld: 490 - 570 nm Sárga: 570 - 585 nm Narancs: 585 - 620 nm Vörös: 620 - 780 nm

Az elektromágneses sugárzások kettős természete Viselkedhetnek hullámként Terjedéskor Viselkedhetnek részecskeként Keletkezéskor Anyaggal való kölcsönhatáskor Elnyelődéskor Terjedési jelenségek: Visszaverődés Fénytörés Interferencia Elhajlás

Elektromágneses sugárzás, mint részecske  

A részecske természet kísérleti bizonyítékai Fotokémiai reakciók csak adott frekvencia feletti fény hatására mennek végbe (pl. klasszikus fénykép előhívás, napozás) A fényre hat a gravitáció A csillagok fénye a Nap közelében elhajlik a Nap felé, a fekete lyuk „elnyeli” a fényt Fotoelektromos hatás stb.

Fotoelektromos hatás Megfelelő energiájú fény elektronokat „lök ki” bizonyos fémek atomjaiból

Compton-effektus A röntgensugarak atomokon szóródnak, a szórt sugárzás nagyobb hullámhosszúságú, mint az eredeti volt

A fény-anyag kölcsönhatások Ha a fény két eltérő optikai sűrűségű közeg határára érkezik, akkor egy része visszaverődik, másik része pedig belép az új közegbe. A belépő fény is kétfelé oszlik, egyik része elnyelődik a közegben, másik része átjut az anyagon. I0 = IR + IA + IT

A fény visszaverődése különböző felületekről Szórt, diffúz visszaverődés A fény minden irányban szóródik. Szabályos visszaverődés Pl. üveg, fém

Fermat-elv Az elektromágneses sugárzások egy tetszőleges optikai rendszerben mindig olyan pályát követnek, amelyen a kezdő és végpontok közötti terjedési idő a lehető legkisebb érték. Ez érvényesül a fénytörés és a visszaverődés esetén is. Visszaverődéskor a fény ugyanabban a közegben marad, tehát a sebesség állandó. Ezért a legrövidebb idejű út = legrövidebb út (egyenes)

A fény törése

Törésmutató (refraktív index, RI) Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége egy anyagi közegben kisebb, mint a vákuumban, ennek a mértéke a törésmutató. Snellius-Descartes törvény:

Néhány anyag törésmutatója vákuum 1,000 ZrSiO4 1,9 levegő 1,0003 ZnS 2,3 víz 1,333 gyémánt 2,419 MgF2 1,384 TiO2 2,6 üvegek 1,5..1,9 Sb2S3 3,2 Al2O3 1,66 GaAs 3,5

A törésmutató befolyásoló tényezői a fény hullámhossza az anyagi minőség a hőmérséklet a nyomás (főképp gázoknál) a fény iránya (kettőstörés) több komponens esetén az összetétel

A visszaverődés törvényei A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár azonos síkban van. A beesési szög () és a visszaverődési szög (') egyenlő:  = '.

Határszög Ha a fény az optikailag sűrűbb közegből megy az optikailag ritkább közegbe: Bizonyos beesési szöghöz (H) 90° törési szög tartozik. Ennél nagyobb szög esetén a fény 100%-ban visszaverődik.

Törésmutató mérése

Abbe-féle refraktométer

A prizma fénytörése A prizmán áthaladva a fény kétszer törik meg: a be- és a kilépéskor. Elnevezések:  eltérítési szög (az irányváltás mértéke)  törőszög (csúcsszög)

A prizmák alkalmazásai Fényfelbontás Tükrözés (90⁰): Fordítás (180⁰): Sugárosztó Sugárkeverő (fordított sugármenet)

Kettős Amici-prizma Kettős Amici-prizma: Ez az elrendezés általában két korona- és egy flintüvegből áll. Ennek az az előnye, hogy a diszperziója nagyobb, és a sugarat, melyre kalibrálták, nem tolja el. Használnak öt prizmából (két flint- és három koronaüvegből) állót is.

Amici-prizmák a) egyenes állásban (a diszperziók összeadódnak) b) ellentétes állásban (a két diszperzió kiegyenlíti egymást)

Refraktométerek működése

Abbe-féle refraktométerek

A fény tulajdonságai A fény, mint hullám három tulajdonsággal rendelkezik: Hullámhossz (színérzet) Amplitúdó (fényerősség) Polarizáció A polarizálatlan fényben a terjedési irányára merőleges elektromos (és az arra is merőleges mágneses) mező vektora tetszőleges irányú, azaz a terjedési irányra merőleges sík bármely irányában egyenlő valószínűséggel lehet.

A polarizált fény tulajdonságai Cirkulárisan polarizált fény kialakulásához állandó 90°-os fáziskülönbség szükséges. Két fajtája: ha a vízszintes rezgéssíkú összetevő ¼ -val megelőzi a függőleges összetevőt, jobbra cirkulárisan polarizált fényről van szó; ha a függőleges összetevő ¼ -val megelőzi a vízszintes összetevőt, az a balra cirkulárisan polarizált fény.

A polarizált fény tulajdonságai Ha a vízszintes és függőleges fényhullám-összetevő közti állandó fáziskülönbség nem ¼ hullámhossznyi, akkor elliptikusan polarizált fényről van szó. A síkban polarizált fény két azonos amplitúdójú és fázisú, de ellentétes irányú cirkulárisan polarizált hullám eredőjének tekinthető. Szűkebb értelemben a polarizált fény kifejezés alatt a síkban polarizált fényt szokás érteni.

A polarizált fény tulajdonságai

Hol van polarizált fény? A kék ég fénye nagyrészt polarizált. Oka a Rayleigh-szórás: a fény szóródása a fény -nál sokkal kisebb nemfémes részecskéken (porszemcse, vízcsepp). 2. Átlátszó anyagok tükröző felületéről részben polarizált fény verődik vissza.

Polarizált fény előállítása Nicol-prizmák

Polarizációs szűrők Egy speciálisan színezett műanyagot melegen vékony lappá hengerelnek, eközben a műanyag jelentősen megnyúlik: a hosszú láncmolekulák közel párhuzamosan rendeződnek. Mivel egy láncmolekula annál több fényt nyel el, minél kisebb szöget zár be a hossztengelyével a poláros fény rezgéssíkja, a műanyag lap (fólia) gyakorlatilag csak egyetlen rezgéssíkú fényt enged át, azaz lineáris polár- szűrőként működik. A hajlékony fóliát keretbe foglalt, vékony üveglapok közé szokták szorítani. Használhatják napszemüveg, fényképészeti szűrő, 3D szemüveg, illetve egyéb célokra.

Optikai aktivitás COOH │ HO – C – H CH3 L-tejsav COOH │ H – C – OH CH3 Egyes anyagok a síkban polarizált fény polarizációs síkját elforgatják. Ok: aszimmetria a kristály szerkezetében vagy a molekula szerkezetében. Az egyik legegyszerűbb ilyen molekula a tejsav: Enantiomer párok. A kettő nem hozható fedésbe a térbeli (tetraéderes szénatom) szerkezet miatt. A szerkezet és a forgatás iránya közt nem ismert az összefüggés. COOH │ HO – C – H CH3 L-tejsav COOH │ H – C – OH CH3 D-tejsav

Az optikai forgatás befolyásoló tényezői – a fény hullámhossza (színe), – az anyagi minőség, – esetenként az oldószer – a hőmérséklet, – a nyomás (főképp gázok esetén), – oldat esetén az összetétel, – a fény által megtett út D = [D]·c·ℓ, ahol c az oldat összetétel kg oldott anyag/dm3 oldat, ℓ a fény úthossza (az oldatot tartalmazó cső hossza), [D] a fajlagos forgatás.

-D-glükóz (ekvatoriális), Mutarotáció A forgatás függ: oldószer - szerkezet. Vízben oldva az  és a  egy idő után egyensúlyba kerül, és 52, 7⁰ lesz a fajlagos forgatás értéke. -D-glükóz (ekvatoriális), piridinből ez válik ki. Fajlagos forgatása 18,7⁰. -D-glükóz (axiális), vízből ez válik ki. Fajlagos forgatása 112⁰. Nyílt láncú forma

Pár anyag fajlagos forgatása oldószer [] fok t [°C ]  [ nm ] D2 vitamin (kalciferol) aceton +82,6 20 589,3 kámfor etanol +54,4 D-glükóz víz +52,7 D-fruktóz 92,4 maltóz +138,5 szacharóz +66,41 L-borkősav +14,1 koleszterin kloroform 39,5 546,1 inulin 40

A polariméter elvi felépítése

Lippich-féle polariméter

A polariméter tényleges felépítése A Lippich-féle polariméter vázlata Na: nátriumgőzlámpa, L1, L2: lencserendszerek, P: polarizátor, SP: segédprizmák, M: mintatartó cső, A: analizátor)

Automata polariméter

Polariméter leolvasása A nóniusz skála

Polariméter leolvasása

Polariméter helyes beállítása

Mintatartó csövek

Köszönöm a figyelmet!