Optikai mérések műszeres analitikusok számára

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések műszeres analitikusok számára"— Előadás másolata:

1 Optikai mérések műszeres analitikusok számára
Polarimetria Frissítés:

2 Emlékeztető - a fény A fény helye az elektromágneses sugárzások népes családjában. Minőségi jellemzők: frekvencia, f vagy , 1/s = Hz terjedési sebesség, v vagy c, m/s hullámhossz, , m. Az elektromágneses sugárzások kettős természete: hullám és részecske.

3 Polarimetria - tartalom
A polarizált fény és tulajdonságai Polarizált fény a természetben Polarizált fény előállítása Egy kis fizika és kémia - optikai aktivitás Polarimetria Polariméterek A polarizált fény, illetve a polárszűrők felhasználása Képalkotó polarimetria = ellipszometria

4 A fény tulajdonságai, polarizálatlan fény
A fény mint hullám, három jellemzővel rendelkezik: hullámhossz, a színérzet meghatározója, amplitúdó, ami a fény erősségét jelenti és polarizáció, melyet nem érzékelünk. A polarizálatlan fényben a terjedési irányára merőleges elektromos (és az arra is merőleges mágneses) mező vektora tetszőleges irányú, azaz a terjedési irányra merő- leges sík bármely irányában egyenlő valószínűséggel lehet.

5 A polarizált fény és tulajdonságai 1.
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.

6 A polarizált fény és tulajdonságai 2.
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 eredőjé- nek tekinthető.  Szűkebb értelemben a polarizált fény kifejezés alatt a síkban polarizált fényt szokás érteni.

7 A polarizált fény és tulajdonságai 3.
Forrás:

8 Hol van polarizált fény?
1. A kék ég fénye nagyrészt polarizált. Oka a Rayleigh- szórás: a fény szóródása a fény -nál sokkal kisebb nemfémes részecskéken (porszemcse, vízcsepp). A Rayleigh-szórás hullámhossz-függő (1/4). Ezért kék az ég, a kék szeműek szeme, sőt a kökény is; 2. Átlátszó anyagok tükröző felületéről részben polarizált fény verődik vissza. ezért vörös-sárga a nap- és holdfelkelte. Lord Rayleigh ( ) Forrás: Ábra: világlexikon

9 Az égbolt fényének polarizációja 1.
1809 Dominique Francois Jean Arago ( ) felfe- dezte az ég polarizált fényét. 1810 Az ég egy pontjáról (Arago-pont,  a Nappal szemközt °-kal feljebb) polarizálatlan fény jön. 1840 Jacques Babinet ( ) az ég 2. pontja, polari- zálatlan fénnyel (Nap felett 20-35°-kal). 1842-ben David Brewster ( ) az ég 3. neutrális pontja (a Nap alatt van 20-35°-kal). 1871 Lord Rayleigh (John William Strutt, ), a polarizáció oka a szóródás. 2001 negyedik neutrális pont létét (Nappal szemközt °-kal feljebb) hőlégballonról végzett képalkotó polarimetriai vizsgálatokkal mutatták ki.

10 Az égbolt fényének polarizációja 2.
Az elsődleges polarizáció eloszlása az égbolt síkbeli vetületén, ha a Nap éppen a horizont síkjában van (folytonos) és a polarizációs síkok égbolttal alkotott metszésvonalai (szaggatott) A légköri polarizáció tényleges eloszlása (folytonos) és a polarizációs síkok valós helyzete (szaggatott) Forrás:

11 A polarizált fény és az állatok
Az ég polarizációjának az állatok tájékozódása szempont- jából fontos jellemzője, hogy az égboltfény polarizáció- mintázata szinte minden meteorológiai körülmény között hasonló, és jellegzetes tükörszimmetriával bír, melynek szimmetriatengelye a szoláris és antiszoláris meridián. Ez teremt arra lehetőséget, hogy a polarizáció-érzékeny állatok még akkor is meghatározhassák a Nap irányát, amikor azt felhő vagy köd fedi. A tiszta, a részben felhős, a teljesen borult, a füstös és a ködös égbolt mind stabil, a Nappal együtt forgó polarizációs iránymintázattal rendelkezik, melyből a Nap azimutszöge határozható meg, ha az égboltfény polarizációfoka nem kisebb, mint a polarizáció-érzékenység küszöbe. Ha e küszöb megfelelően alacsony, akkor az állat kedvezőtlen körülmények között is képes a nem látható Nap irányát az égbolt polarizáció irány-mintázatából megbecsülni.

12 A Nicol-prizmák – polarizált fény előállítása
Rendellenes sugár Rendes sugár Főten-gelyek kanada-balzsam Optikai tengely határszög Izlandi pát nrendes nrendellenes nrendes

13 Polarizációs szűrők Egy speciálisan színezett műanyagot melegen vékony lap- pá hengerelnek, eközben a műanyag jelentősen megnyúlik: a hosszú láncmolekulák közel párhuzamosan rendeződ- nek. 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, fényképé- szeti szűrő, 3D szemüveg, illetve egyéb célokra. Filmek: Berzi Zoltán Fénypolarizációs kísérletek 10:40-16:22 Zsíros László Róbert Fény polarizációs kísérletek 5:42-10:50

14 Az optikai aktivitás 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: COOH │ HO – C – H CH3 L-tejsav COOH │ H – C – OH CH3 D-tejsav Ezek egymás tükörképi párjai. A kettő nem hozható fedésbe a térbeli (tetraéderes szénatom) szerkezet miatt. A szerkezet és a forgatás iránya közt nem ismert az összefüggés.

15 Érdekességek a kiralitásról
A természetben nem mindegyik vegyület „párja” fordul elő. A fehérjéket felépítő aminosavak mind L szerkezetűek. A hidroxi-karbonsavak és a szénhidrátok mind D szerkezetűek: A csigaházak is királisak, 90 %-ban egyfelé csavarodnak. Merre? COOH │ H2N – C – H R L-aminosav COOH │ H – C – OH R D-hidroxisav

16 Az optikai forgatás A forgatás függ:
– a fény hullámhosszától (színétől), – az anyagi minőségtől, – esetenként az oldószertől (pl. szőlőcukor) – a hőmérséklettől, – a nyomástól (főképp gázok esetén), – oldat esetén az összetételtől, – a fény által megtett út hosszától. 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. (Mi a mértékegysége?) A fajlagos forgatás számolása: A koncentráció számolása:

17 Hány % az -D- glükóz és a -D- glükóz a vizes oldatban?
A 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 (axiális), vízből ez válik ki. Fajlagos forgatása 112⁰. 3. házi feladat Hány % az -D- glükóz és a -D- glükóz a vizes oldatban? -D-glükóz (ekvatoriális), piridinből ez válik ki. Fajlagos forgatása 18,7⁰. nyílt láncú forma

18 Számolási feladat A 2 dm-es polariméter csövet vízzel töltve a leolvasás: ,55⁰. A 20 g/100 cm3 cukoroldatra a leolvasás: 27,25⁰. a korrigált érték: 26,70⁰. Az ismeretlen összetételű mintára a leolvasás: 19,80⁰. a korrigált érték: 19,25⁰. a) Mennyi a fajlagos forgatás? b) Hány g/100 cm3 a minta cukortartalma? A fajlagos forgatás számolása: [D] = 66,75⁰. A koncentráció számolása: c = 14,4 g/100 cm3

19 Számolási feladat 2. Répacukrot (szacharózt) hidrolizálunk savval:
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 A hidrolízis előtt az oldat forgatása: 26,70⁰. a) Mennyi a kiindulási oldat összetétele kg/dm3-ben? b) A hidrolízis hány %-ban zajlott le, amikor a forgatás 0⁰? c) Mennyi lesz a teljes hidrolízis után a forgatás? Fajlagos forgatások répacukor ,41⁰ szőlőcukor +52,7⁰ gyümölcscukor –92,4⁰ a) B = 0,201 kg/dm3 (szőlőcukor, gyümölcscukor 0,1058 kg/dm3 lesz) b) 76,1 % c) –8,4⁰ D = [D]·c·ℓ

20 Számolási feladat 3. Tejcukrot (laktózt) hidrolizálunk savval:
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 A hidrolízis előtt az oldat forgatása: 26,20⁰. a) Mennyi a kiindulási oldat összetétele kg/dm3-ben? b) Mennyi lesz a teljes hidrolízis után a forgatás? c) A hidrolízis hány %-ban zajlott le, amikor a forgatás 30⁰? Fajlagos forgatások tejcukor ,4⁰ szőlőcukor +52,7⁰ galaktóz ,5⁰ a) B = 0,25 kg/dm3 (szőlőcukor, galaktóz 0,1316 kg/dm3 lesz) b) 13,87+21,19 = 35,06⁰ c) 42,89 % D = [D]·c·ℓ

21 Számolási feladat 4. A solution of galactose at 20oC is at equilibrium with a specific rotation of +80.2o. If 28.0% of the galactose is -D- galactose (specific rotation of 100% -D-galactose is o), what is the specific rotation of -D-galactose? 52,8 Forrás:

22 Számolási feladat 5. The values of the specific rotation, []20D, for the alpha and beta anomers of D-galactose are and 52.8 degrees, respectively. A mixture that is 20% of -D-galactose and 80% -D-galactose is dissolved in water at 20 degrees C. What is its initial specific rotation? 72,38 degrees After several hours the specific rotation of this mixture has reached an equilibrium value of 80.2 degrees. What is its anomeric composition? 28 % alpha 72 % beta Forrás:

23 Fajlagos forgatások Anyag oldószer [] fok t [°C ]  [ nm ]
D2 vitamin (kalciferol) aceton +82,6 20 589,3 D-fruktóz víz 92,4 D-galaktóz (+) +80,5 D-glükóz (+) +52,7 kámfor etanol +54,4 laktóz (tejcukor) +52,4 L-borkősav +14,1 koleszterin kloroform 39,5 546,1 inulin 40 maltóz (malátacukor) +138,5 szacharóz +66,41

24 A polariméter elvi felépítése

25 Laurent polariméter

26 A Lippich-polariméter

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

28 Automata polariméter

29 A polariméter leolvasása
A nóniusz skála (az ábrán egy tolómérő látható, a leolvasás azonos módon történik)

30 A polariméter leolvasása
A nóniusz („kilences”) skála: a „rendes” skálán 9 egység a nóniusz skálán 10 részre van osztva (vagy 19 egység 20 részre) Leolvasás: Megnézzük, a nóniusz skála 0 pontja a rendes skála melyik két osztása közé mutat. Ezek közül a kisebb lesz a leolvasott érték egész része. Megkeressük, a nóniusz skála melyik osztásának egyenes folytatása a rendes skála valamelyik osztása. Ez lesz a leolvasott érték törtrésze. ,9 9

31 A polariméter leolvasása
A nagy nóniusz skála: a „rendes” skálán 19 egység 20 részre van osztva Leolvasás: hasonló, de 1/20 (0,05) pontossággal olvasható le. Érték: 13,60

32 A polariméter leolvasása
A látómező három része legyen egyforma sötét! hibás leolvasás belső külső helyes leolvasás

33 A skála leolvasása A 

34 Mintatartó csövek A 

35 A polárszűrők alkalmazása - LCD
Folyadékkristályos kijelzők A látható fény (nem polarizált) először áthalad egy polár-szűrőn, melynek következtében polarizálódik. Az ember szabad szemmel nem tudja megkülönböztetni egymástól a polarizált és a nem polarizált fényt. A kijelzőben az immár polarizált fény áthalad a folyadékkristályt tartalmazó rétegen, melyet két elektród közé teszünk. Az áthaladás után a polarizált fény síkja 90 fokkal elfordul a folyadék-kristállyal való kölcsönhatás következtében. Amennyiben feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályos rétegre, akkor a polarizált fény síkja nem fordul el (ld. ábra). A különleges rétegen áthaladó polarizált fény ismét egy polárszűrőre esik, ami csak akkor ereszti át, ha a fény síkja a fentire merőleges. Ha áthalad rajta, akkor az alul elhelyezkedő tükörről visszaverődve a kijelzőn világosságot látunk. Amennyiben a folyadékkristályos rétegre vagy annak egy részére feszültséget kapcsolunk, a kijelzőn sötétséget észlelünk. A folyadékkristályos réteg kiképzésétől függően számokat, betűket, rajzokat is meg lehet jeleníteni a kijelzőn.

36 LCD

37 A polárszűrők alkalmazása - Fényképezés
Az üveg, víz, lakk, porcelán stb. tárgyak felületeinek tükröző-dései gyakran használhatatlanná teszik a fényképfelvételeket. Polarizációs szűrő használatával, valamint a felvételi pont helyes megválasztásával teljesen megszüntethetők vagy nagymérték-ben csökkenthetők ezek a káros visszaverődések. Teljesen megszűnnek, ha a felvételt olyan irányból készítjük, amely megfelel a polarizáció szögének. A visszavert fény polarizált. Ez jut az objektívre illesztett polarizációs szűrőre. A polarizációs szűrőt forgatva és közben a képet figyelve a matt üvegen, láthatjuk a szűrő hatását. Ha a tükröző felületek és a föltett szűrő polarizációs síkja egy irányba esnek, akkor a visszaverődések megmaradnak, ha viszont a polarizációs síkok 90°-os szögben vannak, akkor eltűnnek. Az ég kékjét, illetve a felhők fehérségét is kiemeli a polárszűrő.

38 A polárszűrők alkalmazása - 3D vetítés
Térbeli kép fényképészeti előállításához két felvétel szükséges. Ezeket általában egymástól olyan oldaltávolságból készítjük, amely megfelel az emberi szem távolságának. Ezáltal a jobb oldali részfelvételen az a kép látszik, amit a jobb szem látna. Ugyanígy mutatja a bal szemnek megfelelő képet a bal oldali felvétel. A két kép együttes szemlélésekor térbeli hatás keletkezik, ha a jobb szemmel csak a jobb oldali, a bal szemmel pedig csak a bal oldali képet látjuk. Ez elérhető polarizációs szűrővel is. A két képet ekkor két külön készülékkel egymásra vetítik. A két vetítő objektív elé polarizációs szűrőt helyeznek úgy, hogy polarizációs síkjuk merőleges legyen egymásra. Vetíteni fémporbevonatú képernyőre (Silver screen vagy Z screen) kell, mert a hagyományos fehér vászon depolarizálná a visszaverődő fényt. A néző speciális szemüvegen keresztül nézi a képet, melynek lencséi polarizáló szűrők. A jobb szem előtti szűrő polarizációs síkja párhuzamos a jobb oldali részképet vetítő objektív szűrőjének polarizációs síkjával, és ugyanígy a bal szem és a bal oldali részképet vetítő objektív előtti szűrők polarizációs síkja is párhuzamos. Ezáltal mindegyik szem csak a hozzá tartozó részképet láthatja. A két részképet az emberi agy egyetlen térbeli képpé olvasztja össze.

39 A polárszűrők alkalmazása - feszültség vizsgálat
A feszültségvizsgáló nem kristályos anyagokban, például üvegben vagy mű- gyantában, mechanikai terhelés hatására keletkező feszültségek tanulmányo- zására szolgál. Ezek az anyagok ugyanis nyomás, húzás, hajlítás, nyírás vagy csavarás hatására kettősen törővé válnak. A feszültségvizsgáló fő részei a természetes fényt kibocsátó fényforrás, a természetes fényből lineárisan polarizált fényt előállító polarizátor és ennek polarizációs síkjára merőleges polarizációs síkú analizátor. Ha feszültséges testet helyezünk a polarizátor és az analizátor közé, akkor a rajta áthaladó polarizált fény két, egymásra merőleges összetevőre bomlik. A feszültséges helyeken a járulékos kettős törés miatt a két komponens nem egyenlő sebességgel terjed, – hullámhossztól függő – fáziskülönbség keletkezik, így a kép színessé válik. Az elszíneződés hullámhossza és erőssége a feszültség nagyságát jelzi. Ezzel a módszerrel ellenőrzi az optikai műszerész a gyártás során az üveglemezeket, tömböket és sajtolt elemeket (preszlingeket). Már az üveg gyártásakor keletkezhetnek feszültségek a túl gyors hűtés miatt, ami selejtet eredményezne, ha nem észlelnék időben.

40 Képalkotó polarimetria = Ellipszometria
Érintés- és roncsolásmentes optikai vizsgálati módszer, amellyel a nagyon vékony, akár nanométeres vastagságú rétegek, dielektrikumok fizikai sajátosságait lehet mérni, az anyag felületére bocsátott, majd onnan visszaverődő polarizált fény optikai jellemzőit vizsgálva. Az ellipszometria vizsgálati módszer roncsolásmentes, mivel kis energiájú fénysugarat használnak hozzá. Az ellipszometria név onnan származik, hogy a legtöbb polarizációs állapot elliptikus. A technika közel egy évszázada ismert, manapság számos alkalmazása van. A vizsgáló fény hullámhosszánál vékonyabb rétegek is vizsgálhatók vele, akár egy atom vastagságig. Ezért ez az ún. „nanotechnológia” egyik legfontosabb vizsgálómódszere. Biológiai és orvosi kutatások területén is gyakran használt eljárás, ahol az instabil folyadékfelszínek mérésénél és mikroszkopikus megjelenítésnél jól használható. Az ellipszometriában a fény polarizációjának nagyon kis változásából nyerik az anyagszerkezetre (például morfológiára, a kristály minőségre, kémiai összetételre vagy az elektromos vezetőképességre) jellemző információt. A vizsgálat eredményében a réteg abszorpciója, kettős törése, esetleges optikai aktivitása, ezek hullámhosszfüggése is szerepet játszik, általánosan a többdimenziós szuszceptibilitás tenzor elemeit határozzák meg.

41 Képalkotó polarimetria = Ellipszometria
Az ellipszometria lényege, hogy eltérő határfelületeken a különböző polarizációjú (beesési síkkal párhuzamos vagy arra merőleges rezgési síkú) fény visszaverődése különböző. Az ellipszometria ezt a két reflexiót hasonlítja össze, azaz a beesési síkkal párhuzamos és az arra merőleges polarizációjú fény reflexiós együtthatóinak hányadosát, a komplex reflexiós együtthatót méri, ami nagyban függ a felület és a felületen lévő rétegek tulajdonságaitól. Egy modern ellipszométer a fáziskülönbséget 0,05° körüli pontossággal képes mérni. Ez a 360°-os periódus 7200-ad része, ami a mérő fény hullámhossza 7200-ad részének megfelelő elméleti érzékenységet tesz lehetővé. 500 nanométeres hullámhossz esetén (zöld fény) ez elméletileg 0,07 nanométeres érzékenységnek felel meg. Ezen a ponton rögtön felmerül a kérdés, hogy mit is jelent a 0,07 nanométeres rétegvastagság. A processzorok, memóriák és elektronikus eszközök integrált áramköreinek legfontosabb anyaga, az egykristályos szilícium rácsállandója 0,5 nanométer. A 0,07 nanométer egy atomi (mono-) rétegnél lényegesen kisebb vastagság! Forrás:

42 Szakirodalom Pálinkás József: Kísérleti Fizika IV.
Kádár Endre: Fénytan (ppt) Horváth Gábor, Barta András, Gál József, Pomozi István, Suhai Bence, Szél Győző, Varjú Dezső: A poláros fény rejtett dimenziói 1. rész Sarkított fény a természetben, polarizációs mintázatok