Optikai mérések Nagy Katalin

Az előadások a következő témára: "Optikai mérések Nagy Katalin"— Előadás másolata:

1 Optikai mérések Nagy Katalin
A fény tulajdonságai, bevezetés

2 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

3 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.

4 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

5 Az elektromágneses spektrum
Forrás:

6 A spektrum látható tartománya
Ibolya: nm Indigókék: nm Kék: nm Zöld: nm Sárga: nm Narancs: nm Vörös: nm

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

8 Elektromágneses sugárzás, mint részecske

9 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.

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

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

12 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

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

14 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)

15 A fény törése

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

17 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

18 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

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

20 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.

21 Törésmutató mérése

22 Abbe-féle refraktométer

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

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

25 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.

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

27 Refraktométerek működése

28 Abbe-féle refraktométerek

29 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.

30 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.

31 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.

32 A polarizált fény tulajdonságai

33 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.

34 Polarizált fény előállítása Nicol-prizmák

35 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.

36 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

37 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.

38 -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

39 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

40 A polariméter elvi felépítése

41 Lippich-féle polariméter

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

43 Automata polariméter

44 Polariméter leolvasása
A nóniusz skála

45 Polariméter leolvasása

46 Polariméter helyes beállítása

47 Mintatartó csövek

48 Köszönöm a figyelmet!