Optikai mrsek Nagy Katalin A fny tulajdonsgai bevezets
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. I 0 = 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 anyag vákuum levegő víz n 1, 0003 1, 333 anyag Zr. Si. O 4 Zn. S gyémánt Mg. F 2 üvegek 1, 384 1, 5. . 1, 9 Ti. O 2 Sb 2 S 3 2, 6 3, 2 1, 66 Ga. As 3, 5 Al 2 O 3 n 1, 9 2, 3 2, 419
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: 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? 1. 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 polárszűrőként működik. A hajlékony fóliát keretbe foglalt, vékony üveglapok közé szokták szorítani. Használhatják napszemüveg, fényképészeti szűrő, 3 D szemüveg, illetve egyéb célokra.
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 │ CH 3 COOH │ H – C – OH │ CH 3 L-tejsav D-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.
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/dm 3 oldat, ℓ a fény úthossza (az oldatot tartalmazó cső hossza), [ D] a fajlagos forgatás.
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. Nyílt láncú forma -D-glükóz (ekvatoriális), piridinből ez válik ki. Fajlagos forgatása 18, 7⁰.
Pár anyag fajlagos forgatása Anyag oldószer [ ] fok t [°C ] [ nm ] D 2 vitamin (kalciferol) aceton +82, 6 20 589, 3 kámfor etanol +54, 4 20 589, 3 víz víz víz kloroform víz +52, 7 92, 4 +138, 5 +66, 41 +14, 1 39, 5 40 20 20 589, 3 589, 3 546, 1 589, 3 D-glükóz D-fruktóz maltóz szacharóz L-borkősav koleszterin inulin
A polariméter elvi felépítése
Lippich-féle polariméter
A polariméter tényleges felépítése A Lippich-féle polariméter vázlata Na: nátriumgőzlámpa, L 1, L 2: 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!
- Slides: 48