Оптическая плотность и разрешение изображения. Теоретические основы определения оптической плотности раствора
ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
плотность D , мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F 0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F , прошедшему через этот слой: D lg (F 0/ F), иначе, О. п. есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D lg (1/t). (В определении используемой иногда натуральной О. п. десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.) Понятие О. п. введено Р. Бунзеном;оно привлекается для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях. Особенно широко О. п. пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Различают несколько типов О. п. в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения (рис.).
О. п. зависит от набора частот n (длин волн l), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной n называется монохроматической О. п. Регулярная (рис. , а) монохроматическая О. п. слоя нерассеивающей среды (без учёта поправок на отражение от передней и задней границ слоя) равна 0,4343 k n l , где k n- натуральный поглощения показатель среды, l - толщина слоя (k n l k cl - показатель в уравнении Бугера - Ламберта - Бера закона; если рассеянием в среде нельзя пренебречь, k n заменяется на натуральный ослабления показатель). Для смеси нереагирующих веществ или совокупносги расположенных одна за другой сред О. п. этого типа аддитивна, т. е. равна сумме таких же О. п. отдельных веществ или отдельных сред соответственно. То же справедливо и для регулярной немонохроматической О. п. (излучение сложного спектрального состава) в случае сред с неселективным (не зависящим от n) поглощением. Регулярная немонохроматич. О. п. совокупности сред с селективным поглощением меньше суммы О. п. этих сред. (О приборах для измерения О. п. см. в статьях Денситометр, Микрофотометр, Спектрозональная аэрофотосъёмка, Спектросенситометр, Спектрофотометр, Фотометр.)
Лит.: Гороховский Ю. Н., Левенберг Т. М., Общая сенситометрия. Теория и практика, М., 1963; Джеймс Т., Хиггинс Дж., Основы теории фотографического процесса, пер. с англ., М., 1954.
Л. Н. Капорский.
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ в Медицинских терминах:
величина, характеризующая поглощение света слоем вещества и представляющая собой логарифм отношения интенсивности потока излучения до и после прохождения через поглощающую … - ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
- ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ
мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения Fо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре автомобильного жаргона:
(density) - это отношение массы тела к его объему. Выражается в кг/дм3 или в кг/м3. Объем зависит от температуры (в … - ПЛОТНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
(?) масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ определяют … - ПЛОТНОСТЬ
(r), физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объёма. П. неоднородного вещества - предел отношения массы к … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Плотность воды при 4° Ц. = 1, 000013 грамм / сантиметр 3 Для вещества неоднородной П., средняя П. части тела … - ПЛОТНОСТЬ в Современном энциклопедическом словаре:
- ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словарике:
(r), масса единицы объема вещества. В СИ единица плотности 1 кг/м3. Отношение плотностей двух веществ называется относительной плотностью (обычно плотность … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедическом словаре:
, -и, ж. 1. см. плотный. 2. Масса единичного объема вещества (спец.). П. воды. II прил. плотностный, -ая, -ое … - ПЛОТНОСТЬ
ПЛ́ОТНОСТЬ ТОКА, одна из осн. характеристик электрич. тока; равна электрич. заряду, переносимому в 1 с через единичную площадку, перпендикулярную направлению … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ, степень населённости конкретной терр., численность постоянного населения, приходящаяся на единицу площади (обычно 1 км 2). При ср. … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ случайной величины X , функция р (х) такая, что при любых а и b вероятность неравенства … - ПЛОТНОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПЛ́ОТНОСТЬ (r), масса единичного объёма в-ва. Величина, обратная удельному объёму. Отношение П. двух в-в наз. относительной П. (обычно П. в-в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА, произведение объёмного коэф. ослабления света средой на геом. длину пути светового луча в среде. Характеризует ослабление света в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ СИЛА, величина, характеризующая преломляющую способность линзы (системы линз); измеряется в диоптриях; О.с. обратна фокусному расстоянию в … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, связь посредством эл.-магн. колебаний оптич. диапазона (10 13 - 10 15 Гц), обычно с применением лазеров. Системы О.с. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ, мера непрозрачности в-ва, равная десятичному логарифму отношения потока излучения F 0 , падающего на слой в-ва, к потоку … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ, устройство, в к-ром лучистая энергия от к.-л. источника с помощью системы отражателей фокусируется на небольшую площадку (обычно диам. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ОСЬ: кристалла - направление в кристалле, вдоль к-рого скорость света не зависит от ориентации плоскости поляризации света. Свет, распространяющийся … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ НАКАЧКА, метод создания инверсии населённости в в-ве воздействием интенсивного эл.-магн. излучения более высокой частоты, чем частота требуемого квантового инверсионного … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ, обнаружение удалённых объектов, измерение их координат, а также распознавание их формы с помощью эл.-магн. волн оптич. диапазона. Оптич. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЯ, то же, что … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ, произведение длины пути светового луча на показатель преломления среды (путь, к-рый прошёл бы свет за то же … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ, различие оптич. свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. О.а. … - ОПТИЧЕСКАЯ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ОПТ́ИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, свойство нек-рых в-в вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. Оптически активные в-ва бывают двух типов. … - ПЛОТНОСТЬ в Энциклопедии Брокгауза и Ефрона:
(densite, Dichtigkeit) ? по самому происхождению слова указывает на некоторое физическое свойство вещества, по которому количество вещества, помещающегося в единице … - ПЛОТНОСТЬ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
пло"тность, пло"тности, пло"тности, пло"тностей, пло"тности, пло"тностям, пло"тность, пло"тности, пло"тностью, пло"тностями, пло"тности, … - ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русской деловой лексики:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в Тезаурусе русского языка:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в словаре Синонимов русского языка:
Syn: густота, … - ПЛОТНОСТЬ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Лопатина:
пл`отность, … - ПЛОТНОСТЬ в Полном орфографическом словаре русского языка:
плотность, … - ПЛОТНОСТЬ в Орфографическом словаре:
пл`отность, … - ПЛОТНОСТЬ в Словаре русского языка Ожегова:
масса единичного обzема вещества Spec П. воды. плотность <= … - ПЛОТНОСТЬ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(?) , масса единичного объема вещества. Величина, обратная удельному объему. Отношение плотности двух веществ называют относительной плотностью (обычно плотность веществ … - ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
плотности, ж. 1. только ед. Отвлеч. сущ. к плотный. Плотность населения. Плотность ткани. Плотность воздуха. Плотность огня (воен.). 2. Масса … - ПЛОТНОСТЬ в Толковом словаре Ефремовой:
плотность 1. ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: плотный. 2. ж. Отношение массы тела к его … - ПЛОТНОСТЬ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
- ПЛОТНОСТЬ в Большом современном толковом словаре русского языка:
I ж. отвлеч. сущ. по прил. плотный II ж. Отношение массы тела к его … - ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ в Большом энциклопедическом словаре:
различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и от поляризации этого света. Оптическая анизотропия выражается … - ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ в Большом энциклопедическом словаре:
свойство некоторых веществ вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Оптически активные вещества бывают двух типов. У … - СССР. РСФСР, АВТОНОМНЫЕ РЕСПУБЛИКИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
республики Башкирская АССР Башкирская АССР (Башкирия) образована 23 марта 1919. Расположена в Предуралье. Площадь 143,6 тыс. км2. Население 3833 тыс. … - РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА) в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
света, в широком смысле - то же, что и преломление света, т. е. изменение направления световых лучей при изменении …
Колориметрия
Из оптических методов анализа в практике аналитических лабораторий наиболее широко применяются колориметрические методы (от лат. color - цвет и греч. μετρεω - измеряю). Колориметрические методы основаны на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через окрашенный раствор.
В колориметрическом методе используются химические реакции, сопровождающиеся изменением цвета анализируемого раствора. Измеряя светопоглощение такого окрашенного раствора или сравнивая полученную окраску с окраской раствора известной концентрации, определяют содержание окрашенного вещества в испытуемом растворе.
Существует зависимость между интенсивностью окраски раствора и содержанием в этом растворе окрашенного вещества. Эта зависимость, называемая основным законом светопоглощения (или законом Бугера-Ламберта-Бера), выражается уравнением:
I = I 0 10 - ε c l
где I - интенсивность света, прошедшего через раствор; I 0 - интенсивность падающего на раствор света; ε- коэффициент светопоглощения, постоянная величина для каждого окрашенного вещества, зависящая от его природы; С - молярная концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина слоя светопоглощающего раствора, см.
Физический смысл этого закона можно выразить следующим образом. Растворы одного и того же окрашенного вещества при одинаковой концентрации этого вещества и толщине слоя раствора поглощают равное количество световой энергии, т. е. светопоглощение таких растворов одинаковое.
Для окрашенного раствора, заключенного в стеклянную кювету с параллельными стенками, можно сказать, что по мере увеличения концентрации и толщины слоя раствора его окраска увеличивается, а интенсивность света I, прошедшего через поглощающий раствор, уменьшается по сравнению с интенсивностью падающего света I 0 .
Рис.1 Прохождение света через кювету с исследуемым раствором.
Оптическая плотность раствора.
Если прологарифмировать уравнение основного закона светопоглощения и изменить знаки на обратные, то уравнение принимает вид:
Величина является очень важной характеристикой окрашенного раствора; ее называют оптической плотностью раствора и обозначают буквой A:
A = ε C l
Из этого уравнения вытекает, что оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества и толщине слоя раствора.
Другими словами, при одинаковой толщине слоя раствора данного вещества оптическая плотность этого раствора будет тем больше, чем больше в нем содержится окрашенного вещества. Или, наоборот, при одной и той же концентрации данного окрашенного вещества оптическая плотность раствора зависит только от толщины его слоя. Отсюда может быть сделан следующий вывод: если два раствора одного и того же окрашенного вещества имеют различную концентрацию, одинаковая интенсивность окраски этих растворов будет достигнута при толщинах их слоев, обратно пропорциональных концентрациям растворов. Этот вывод очень важен, так как на нем основаны некоторые методы колориметрического анализа.
Таким образом, чтобы определить концентрацию (С) окрашенного раствора, необходимо измерить его оптическую плотность (A). Чтобы измерить оптическую плотность, следует измерить интенсивность светового потока.
Интенсивность окраски растворов можно измерять различными методами. Различают субъективные (или визуальные) методы колориметрии и объективные (или фотоколориметрические).
Визуальными называются такие методы, при которых оценку интенсивности окраски испытуемого раствора делают невооруженным глазом.
При объективных методах колориметрического определения для измерения интенсивности окраски испытуемого раствора вместо непосредственного наблюдения пользуются фотоэлементами. Определение в этом случае проводят в специальных приборах - фотоколориметрах, откуда и метод получил название фотоколориметрического.
Визуальные методы
К визуальным методам относятся:
1) метод стандартных серий;
2) метод дублирования (колориметрическое титрование);
3) метод уравнивания.
Метод стандартных серий. При выполнении анализа методом стандартных серий интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивают с окрасками серии специально приготовленных стандартных растворов (при одинаковой толщине поглощающего слоя).
Растворы в колориметрии обычно имеют интенсивную окраску, поэтому имеется возможность определять весьма небольшие концентрации или количества веществ. Однако это может сопровождаться определенными трудностями: так навески для приготовления серии стандартных растворов могут быть очень малы. Для преодоления этих трудностей готовят стандартный раствор А достаточно высокой концентрации, например 1 мг/мл. После этого путем разбавления из раствора А готовят стандартный раствор В значительно меньшей концентрации, а из него в свою очередь готовят серию стандартных растворов.
Для этого в пробирки или кюветы одинакового размера и одинакового цвета стекла пипеткой добавляются необходимые объемы растворов реагентов в нужной последовательности. Порции растворов определяемого вещества целесообразно добавлять из бюретки, т.к. их объемы будут различны для обеспечения различных концентраций в серии стандартных растворов. При этом начальный раствор должен содержать все компоненты, кроме определяемого вещества (нулевой раствор) . В исследуемый раствор добавляют растворы необходимых реагентов. Все растворы доводят до постоянного объема, а затем визуально сравнивают интенсивность окраски исследуемого раствора с растворами серии стандартных растворов. Возможно совпадение интенсивности окраски с каким-либо раствором серии. Тогда считается, сто исследуемый раствор имеет такую же концентрацию или содержит столько же определяемого вещества. Если же интенсивность окраски покажется промежуточной между соседними растворами серии, концентрация или содержание определяемого компонента считают средним арифметическим между растворами серии.
Колориметрическое титрование (метод дублирования) . Этот метод основан на сравнении окраски анализируемого раствора с окраской другого раствора- контрольного. Для приготовления контрольного раствора готовят раствор, содержащий все компоненты исследуемого раствора, за исключением определяемого вещества, и все употреблявшиеся при подготовке пробы реактивы, и к нему добавляют из бюретки стандартный раствор определяемого вещества. Когда этого раствора будет добавлено столько, что интенсивности окраски контрольного и анализируемого раствора уравняются, считают, что в анализируемом растворе содержится столько же определяемого вещества, сколько его было введено в контрольный раствор.
Метод уравнивания. Этот метод основан на уравнивании окрасок анализируемого раствора и раствора с известной концентрацией определяемого вещества - стандартного раствора. Существуют два варианта выполнения колориметрического определения этим методом.
По первому варианту уравнивание окрасок двух растворов с разной концентрацией окрашенного вещества проводят путем изменения толщины слоев этих растворов при одинаковой силе проходящего через растворы светового потока. При этом, несмотря на различие концентраций анализируемого и стандартного растворов, интенсивность светового потока, проходящего через оба слоя этих растворов, будет одинакова. Соотношение между толщинами слоев и концентрациями окрашенного вещества в растворах в момент уравнивания окрасок будет выражаться уравнением:
l 1 = C 2
где l 1 - толщина слоя раствора с концентрацией окрашенного вещества C 1 , а l 2 -толщина слоя раствора с концентрацией окрашенного вещества C 2 .
В момент равенства окрасок отношение толщин слоев двух сравниваемых растворов обратно пропорционально отношению их концентраций.
На основании приведенного уравнения, измерив толщину слоев двух одинаково окрашенных растворов и зная концентрацию одного из этих растворов, легко можно рассчитать неизвестную концентрацию окрашенного вещества в другом растворе.
Для измерения толщины слоя, через который проходит световой поток, можно применять стеклянные цилиндры или пробирки, а при более точных определениях специальные приборы - колориметры.
По второму варианту, для уравнивания окрасок двух растворов с различной концентрацией окрашенного вещества, через слои растворов одинаковой толщины пропускают световые потоки различной интенсивности.
В этом случае оба раствора имеют одинаковую окраску, когда отношение логарифмов интенсивностей падающих световых потоков равно отношению концентраций.
В момент достижения одинаковой окраски двух сравниваемых растворов, при равной толщине их слоев, концентрации растворов прямо пропорциональны логарифмам интенсивностей падающего на них света.
По второму варианту определение может быть выполнено только с помощью колориметра.
Методика предназначена для измерения на изображениях оптических параметров объектов – средней яркости, отклонения яркости, минимальной яркости, максимальной яркости, интервала яркости, интегральной яркости, средней и интегральной оптической плотности.
По способу расчета оптической плотности методика представлена в трех модификациях:
Расчет оптической плотности производится относительно фона, который указывается на изображении вручную с помощью «мыши»;
Оптическая плотность рассчитывается с учетом темнового поля камеры и поля, чистого стекла препарата.
Перед измерениями производится калибровка системы по эталонам с известной оптической плотностью.
Методика может использоваться для гистохимических исследований.
Как работает методика
На полученном изображении по яркости автоматически выделяются объекты. Предварительно (в зависимости от выбранного способа расчета оптической плотности) указывается фон, вводятся с камеры изображения темнового поля и чистого стекла или производится оптическая калибровка системы ввода по оптическим эталонам
При необходимости производится дополнительная подготовка к измерениям: удаление с изображения небольших посторонних деталей, сглаживание границ, заполнение пустот, автоматическое разделение контактирующих объектов
Автоматические измерения производятся по набору параметров, характеризующих оптические свойства выделенных объектов. Пользователь также может включить необходимые дополнительные параметры (размеры, форма)
По результатам измерений производится классификация объектов по параметру «Оптическая плотность», строится гистограмма распределения, и рассчитываются статистические параметры выборки. Условия построения гистограммы и набор рассчитываемых параметров определяет пользователь.
2. Медицинская оптика
2.3 Ход лучей в оптическом микроскопе.Характеристики изображений.Увеличение микроскопа.Теория Аббе.Характерные величины параметров входящих в формулу увеличения и их смысл.
2.4 Основные положения теории Аббе.Предел разрешения.Разрешающая способность микроскопа.Полезное и бесполезное увеличение.Предельное увеличение биологического микроскопа.
Дифракционная теория разрешающей способности оптических приборов была разработана Аббе.Если в качестве объекта использовать дифракционную решётку,а её изображение получать с помощью линзы,то в фекальной плоскости этой линзы будет образовываться дифракционная картина в виде чередующихся максимумов и минимумов освещённости.Эта картина является первичным изображением.На некотором расстоянии от первичного будет находиться вторичное действительное,котрое и является собственно изображением решётки.Аббе установил,что для соответствия вторичного изображения рассматриваемому предмету необходимо,чтобы в его формировании принимали участие лучи,идущие от центрального и одного из первых главных максимумов.Все максимумы первичного изображения возникают в результате интерференции когерентных лучей,и поэтому могут рассматриваться как самостоятельные точечные и когерентные источники.Разрешающая способность микроскопа зависит от длины световой волны и значения аппертурного угла.Предел разрешения-наименьшее расстояние между двумя точками предмета,когда эти точки различимы,то есть воспринимаются как две точки в микроскопе.Разрешающей способностью называют способность микроскопа давть раздельные изображения мелких деталей рассматриваемого предмета.Эта величина обратно пропорциональна пределу разрешения.Полезное увеличение-увеличение,при котором глаз различает все элементы структуры объекта.Бесполезное увеличение-глаз не способен различить все элементы структуры объекта.
2.5 Иммерсионная микроскопия.Числовая апертура.Апертурный угол.Ход лучей.
Разрешающую способность микроскопа можно несколько повысить,используя объектив с иммерсией.В этом случае пространство между покровным стеклом и фронтальной линзой объектива заполняется средой с показателем преломления близким к показателю преломления покровного стекла.Объективы с иммерсией называют иммерсионными,а без неё-сухими.Хорошей иммерсионной средой является кедровое масло.Показатель преломления кедрового масла практически совпадает со значением показателя преломления стекла.Иммерсия увеличивает угол раскрытия,а значит и разрешающую способность микроскопа A=n*Sin(u/2).Обычно произведение показателя преломления на синус аппертурного угла называют числовой апертурой.
2.10 Метод тёмного поля.Ультрамикроскопия.УФ-микроскопия и её преимущества.
Обширную группу микрокопирования составляют объекты,содержащие структурные элементы размерами порядка нескольких сотен ангстрем,что существенно меньше предела разрешающей способности обычного светового микроскопа со светлым полем.Примерами могут являться пылинки в воздухе,совокупность твёрдых частиц в жидкости.Таким образом они воспринимаются как визуально,так и спомощью обычного светового микроскопа как однородные.Для обнаружения таких частиц используют обычный микроскоп,в котором осуществляется принцип тёмного поля.В основе этого метода лежит рассеивание света на ультрамалых частицах.Используют специальные конденсоры,затемнённые в центре,которые приспособлены для бокового освещения объекта.Принцип тёмного поля можно осуществить с помощью кружочка чёрной бумаги,вкладывая его между линзами обычного конденсора.Диаметр кружка должен быть такой,чтобы осталась не закрытой только незначительная перефирическая часть линзы.Таким оьразом прямые лучи устраняются,а лучи дифрагированные ультрамалыми частицами,сохраняются,что и позволяет их обнаружить.Существенный недостаток метода тёмного поля-невозможность изучения с его помощью структуры обнаруживаемых ультрамалых частиц.
2.11 Метод фазового контраста.
В настоящее время структуры неконтрастных объектов часто изучают с помощью обычного светового микроскопа,снабжённого фазовой приставкой.Этот метод,получивший название метода фазового контраста,позволяет изучить структуры неконтрастных объектов путём увеличения контраста получаемого изображения без непосредственного воздействия на сам объект.При встрече света с любой неоднородностью,в частности с бактерией,происходят два явления изменения фаз колебаний световых волн и их дифракция.Происходит воздействие на основные и добавочные волны.Для этого используются пластинки различных конструкций.Они называются фазовыми.Такие фазовые пластинки устанавливаются в фокальной плоскости объектива микроскопа,то есть практически вплотную к объективу.Сущность метода сводится к созданию контраста интенсивностей в окончательном изображении неконтрастного объекта,путём воздействия на его первичное изображение.С помощью этого метода возможно проводить наблюдение живых микроорганизмов-бактерий.
2.12 Устройство и принцип работы электронного микроскопа.Ход лучей,магнитные линзы и их строение.
Очень распространены объекты,структурные элементы которых имеют размеры несколько десятков ангстрем,что значительно меньше разрешающей способности обычного светового микроскопа.Изучение таких ультраструктур возможно с помощью электронного микроскопа,обладающего большей разрешающей способностью,чем обычный световой микроскоп.В основе использования электронного микроскопа лежит использование волновых свойств электронов и возможность их фокусировки.Любой движущейся частице,в том числе и электрону,присущи волновые свойства(преломление,отражение,дифракция и интерфернция).Для свободного движения электронов необходимо создание магнитного поля.Магнитное поле позволяет фокусировать электронные лучи и получать равные по величине электронные изображения предметов.Магнитную линзу можно сделать и увеличивающей.Для этого пользуются сильным неоднородным магнитным полем,полученного от короткого соленоида с током,имеющего большое число витков.Большим увеличением обладает панцирная магнитная линза с полюсными наконечниками.Представляет собой соленоид,находящийся внутри двух железных цилиндров,внутреннего и наружного,соединённых железными основаниями.Создаётся увеличение в 20000 раз.Электронный микроскоп состоит из оптической системы,вакуумной установки,установки электрического питания и пульта управления.Ход лучей:Источник освещения-конденсорная линза-объект микроскопического исследования-объективная линза-промежуточное изображение объекта-проекционная линза-увеличение участка промежуточного изображения.ла разработана Аббе.Если в качестве объекта использовать дифракционную решётку,а еёизображение бесполезное увеличение.Предель
Для определения готовят эталонный раствор определяемого вещества известной концентрации, которая приближается к концентрации исследуемого раствора. Определяют оптическую плотность этого раствора при определенной длине волны . Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора при той же длине волны и при той же толщине слоя. Для эталонного раствора согласно уравнению (17) имеем:
где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - толщина слоя, см.
Оптическая плотность исследуемого раствора выражается такой же формулой:
где - концентрация исследуемого раствора, .
Количество определяемого вещества (в мг) с учетом разбавления раствора находим по формуле:
где - общий объем исследуемого раствора, ; - объем окрашенного исследуемого раствора, - объем аликвотной части исследуемого растаора, взятой для приготовления окрашенного раствора, .
Определение к онцентраци и вещества в растворе по значению молярного коэффициента поглощения
Определив значение оптической плотности -раствора при длине волны к и зная значение молярного коэффициента поглощения . определяемого вещества для лучей длины волны X, находим по формуле (17) значение концентрации исследуемого вещества :
Количество определяемого вещества (в г) находим по формуле:
где - молекулярный (атомный) вес определяемого вещества (иона).
Значение молярного коэффициента поглощения . устанавливают следующим образом. Готовят эталонный раствор исследуемого вещества определенной концентрации и измеряют значение оптической плотности этого раствора при длине волны к и значение . вычисляют по формуле:
Если вещество трудно получить в чистом виде, то можно пользоваться табличным значением .
Определение концентрации вещества с помощью калибровочного графика
Функциональная зависимость между оптической плотностью раствора и концентрацией поглощающего вещества может быть установлена графически. Для этого предварительно готовят серию растворов определяемого вещества различной концентрации (эталонные растворы). Измеряют значения оптической плотности этих растворов для лучей с длиной волны X и по полученным данным строят кривую зависимости оптической плотности раствора от концентрации (калибровочный график). На ось ординат наносят значения оптической плотности эталонных растворов , а на ось абсцисс - соответствующие значения концентраций этих растворов (). Для получения более точных результатов рассчитывают, пользуясь методом наименьших квадратов, уравнение для калибровочного графика.
Определив значение оптической плотности исследуемого раствора при той же толщине слоя, можно найти концентрацию определяемого вещества по полученному калибровочному графику. Если раствор не подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера, то прямолинейная зависимость нарушается на некотором участке кривой или на всей кривой. В этом случае необходимо увеличить число эталонных растворов. Концентрацию эталонных растворов обычно выражают в . Количество определяемого вещества в миллиграммах определяют по формуле (23).
Определение концентрации вещества методом «уравнивания» или методом изменения толщины поглощающего слоя
Оптическую плотность исследуемого раствора определяют по формуле:
где - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора; - концентрация определяемого вещества, ; - толщина слоя, см.
На использовании этого равенства основано устройство колориметра погружения (колориметр Дюбоска), в котором тождественность цвета достигается изменением толщины слоя растворов. Оптическая схема колориметра погружения дана на рис. 96. Один световой поток от зеркала 1 проходит через слой исследуемого раствора в кювете 2, цилиндр 4, призму 6, линзы 8 и 9 и попадает в окуляр, освещая правую половину оптического поля. Другой световой поток проходит через слой стандартного раствора в кювете 3, цилиндр 5, призму 7, линзы 8 и 9, попадает в окуляр, освещая левую половину оптического поля. Кюветы 2 и 3 установлены на держателях, которые при помощи шестеренок и реек передвигаются вертикально. Стеклянные цилиндры 4 и 5 с отшлифованными концами укреплены неподвижно. Перемещая кюветы 2 и 3 по вертикали, меняют высоту столбов раствора и добиваются исчезновения границ раздела в окуляре оптического поля. Высоты столбов эталонного раствора и исследуемого раствора отсчитывают по миллиметровой шкале.
ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ ПОМОЩИ КОНЦЕНТРАЦИОНОГО
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА КФК– 2
Цель работы : изучить явление ослабления света при прохождении через вещество и фотометрические характеристики вещества, изучить устройство концентрационного фотоэлектрического калориметра КФК-2 и методику работы с ним, определить оптическую плотность и концентрацию окрашенного раствора с помощью КФК-2.
Приборы и принадлежности : калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК – 2, исследуемый раствор, набор растворов стандартной концентрации.
Теория работы
При падении света на границу раздела двух сред свет частично отражается и частично проникает из первого вещества во второе. Световые электромагнитные волны приводят в колебательное движение как свободные электроны вещества, так и связанные электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (оптические электроны), которые излучают вторичные волны с частотой падающей электромагнитной волны. Вторичные волны образуют отраженную волну и волну, проникающую внутрь вещества.
В веществах с высокой плотностью свободных электронов (металлах) вторичные волны порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95 % интенсивности падающей волны. Та же часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем сильное поглощение, и энергия световой волны превращается в тепловую. Поэтому металлы сильно отражают падающий на них свет и практически непрозрачны.
В полупроводниках плотность свободных электронов меньше, чем в металлах, и они слабее поглощают видимый свет, а в инфракрасной области вообще прозрачны. Диэлектрики поглощают свет избирательно и прозрачны только для определенных участков спектра.
В общем случае при падении света на вещество падающий световой поток Ф 0 можно представить в виде суммы световых потоков:
где Ф r – отраженный, Ф a – поглощенный, Ф t – прошедший через вещество световой поток.
Явление взаимодействия света с веществом описывается безразмерными величинами, которые называются коэффициентами отражения , поглощения и пропускания . Для одного и того же вещества
r + a + t = 1. (2)
Для непрозрачных тел t = 0; для идеально белых тел r = 1; для абсолютно черных тел a = 1.
Величина 
называется оптической плотностью вещества.
Коэффициенты r, a, t характеризуют фотометрические свойства вещества и определяются фотометрическими методами.
Фотометрические методы анализа широко применяются в ветеринарии, зоотехнии, почвоведении, технологии материалов. При исследовании веществ, растворенных в практически непоглощающем растворителе, фотометрические методы основаны на измерении поглощения света и на зависимости между поглощением и концентрацией растворов. Приборы, предназначенные для абсорбционного (абсорбция – поглощение) анализа прозрачных сред, называются спектрофотометрами и фотокалориметрами. В них при помощи фотоэлементов сравниваютcя окраски исследуемых растворов со стандартным.
Зависимость между поглощением света окрашенным раствором и концентрацией вещества подчиняется объединенному закону Бугера – Ламберта – Бера:
, (3)
где I 0 – интенсивность потока света, падающего на раствор; I - интенсивность потока света, прошедшего через раствор; c - концентрация окрашенного вещества в растворе; l - толщина поглощающего слоя в растворе; k - коэффициент поглощения, который зависит от природы растворенного вещества, растворителя, температуры и длины световой волны.
Если с выражено в моль/л, а l - в сантиметрах, то k становится молярным коэффициентом поглощения и обозначается e l , следовательно:
. (4)
Прологарифмировав (4), получим:
Левая часть выражения (5) является оптической плотностью раствора. С учетом понятия оптической плотности закон Бугера – Ламберта – Бера примет вид:
т. е. оптическая плотность раствора при определенных условиях прямо пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине поглощающего слоя.
На практике наблюдаются случаи отклонения от объединенного закона поглощения. Это происходит потому, что некоторые окрашенные соединения в растворе претерпевают изменения за счет процессов диссоциации, сольватации, гидролиза, полимеризации, взаимодействия с другими компонентами раствора.
Вид графика зависимости D = f(c) представлен на рис. 1.
Окрашенные соединения обладают избирательным поглощением света, т.е. оптическая плотность окрашенного раствора различна для различных длин волн па- дающего света. Измерение оптической плотности с целью определения концентрации раствора проводят в области максимального поглощения, т. е. при длине волны
падающего света близкой к l max .
Для фотометрического определения концентрации раствора сначала строят калибровочный график D = f(c ). Для этого готовят серию стандартных растворов. Затем измеряют величины их оптической плотности и строят график зависимости
D = f(c) . Для его построения необходимо иметь 5 – 8 точек.
Экспериментально определив оптическую плотность исследуемого раствора, находят ее значение на оси ординат калибровочного графика D = f(c ), а затем на оси абсцисс отсчитывают соответствующее значение концентрации с х.
Используемый в работе калориметр фотоэлектрический концентрационный КФК–2 предназначен для измерения отношения потоков света на отдельных участках длин волн в диапазоне 315 - 980 нм, выделяемых светофильтрами, и позволяет определять коэффициенты пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также концентрации веществ в растворах методом построения градуировочных графиков D = f(c) .
Принцип измерения фотокалориметром КФК–2 оптических характеристик веществ состоит в том, что на фотоприемник (фотоэлемент) направляются поочередно световые потоки - полный I 0 и прошедший через исследуемую среду I и определяется отношение этих потоков.
Внешний вид фотокалориметра КФК–2 представлен на рис. 2. Он включает в
 |
себя источник света, оптическую часть, набор светофильтров, фотоприемники и регистрирующий прибор, шкала которого откалибрована на показания светопропускания и оптической плотности. На лицевой панели фотокалориметра КФК – 2 имеются:
1 - микроамперметр со шкалой, оцифрованной в величинах коэффициента про-
пускания Т и оптической плотности D ;
2 - осветитель;
3 - ручка переключения светофильтров;
4 - переключатель кювет в световом пучке;
5 - переключатель фотоприемников «Чувствительность»;
6 - ручки «Установка 100»: «Грубо» и «Точно»;
7 - кюветное отделение.
Порядок выполнения работы
1. Включить прибор в сеть. Прогреть в течение 10 – 15 мин.
2. При открытом кюветном отделении установить стрелку микроамперметра на «0»
по шкале «Т».
3. Установить минимальную чувствительность, для этого ручку «Чувствитель-
ность» переключить в положение «1», ручку «Установка 100» «Грубо» переключить в крайнее левое положение.
4. В световой пучок поместить кювету с растворителем или контрольным раство-
ром, по отношению к которому производится измерение.
5. Закрыть крышку кюветного отделения.
6. Ручками «Чувствительность» и «Установка 100» «Грубо» и «Точно» установить
отсчет 100 по шкале фотокалориметра. Ручка «Чувствительность» может находиться в одном из трех положений «1», «2», или «3».
7. Поворотом ручки «4» кювету с растворителем заменить кюветой с исследуемым
раствором.
8. Снять отсчет по шкале микроамперметра, соответствующий коэффициенту про-
пускания исследуемого раствора в процентах, по шкале «Т» или по шкале «Д» - в единицах оптической плотности.
9. Измерения провести 3–5 раз и окончательное значение измеряемой величины оп-
ределить как среднее арифметическое из полученных значений.
10. Определить абсолютную погрешность измерения искомой величины.
Задание № 1. Изучение зависимости оптической плотности от длины
Волны падающего света
1.1. Для стандартного раствора определить оптическую плотность при различных частотах падающего света.
1.2. Данные занести в таблицу 1.
1.3. Построить график зависимости оптической плотности от длины волны l па-
дающего света D = f(l) .
1.4. Определить l и номерсветофильтра для D max .
Таблица 1
Задание № 2. Проверка зависимости оптической плотности от толщины
Поглощающего слоя
2.1. Для стандартного раствора, используя светофильтр с l D для кювет различного размера.
2.2. Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
2.3. Построить график зависимости D = f(l) .
Задание № 3. Построение калибровочного графика и определение концент-
Рации неизвестного раствора
3.1 . Для серии стандартных растворов известной концентрации, используя све-
тофильтр с l max (см. задание № 1), определить D .
3.2. Данные измерений занести в таблицу 3.
Таблица 3
3.3. Построить калибровочный график D = f(с) .
3.4. По графику D = f(с) определить концентрацию неизвестного раствора.
Контрольные вопросы
1. Явление ослабления света при прохождении через вещество, механизм поглоще-
ния для разных типов вещества.
2. Параметры, характеризующие фотометрические свойства вещества.
3. Объясните сущность фотометрических методов анализа.
4. Сформулируйте объединенный закон поглощения Бугера–Ламберта–Бера.
5. Каковы причины возможных отклонений свойств растворов от объединенного за-
кона поглощения?
6. Молярный коэффициент поглощения, его определение и факторы, от которых он
7. Как осуществляется выбор длины волны поглощаемого излучения при фотокало-
риметрических измерениях?
1. Как строится калибровочный график?
2. Объясните устройство и принцип работы фотокалориметра КФК–2.
3. Где и для чего применяется абсорбционный анализ?
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 24, § 187.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XХ,
3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 50.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–03
