Metody spektroskopické adsorpce či emise záření Metody nespektroskopické změna vlastností při průchodu světla

Transkript

1 Optické metody

2 Soubor fyzikálních metod Společný mechanismus interakce hmoty a elektromagnetického záření Dělení: Metody spektroskopické adsorpce či emise záření Metody nespektroskopické změna vlastností při průchodu světla Objektivní fotografiský aparát, promítače, zvětšování Subjektivní brýle, lupa, mikroskop, dalekohled atd. Rozdělení optických metod

3

4 Elektromagnetické záření kombinace příčného postupného vlnění magnetického a elektrického pole tedy elektromagnetického pole Elektromagnetickým zářením se zabývá obor fyziky nazvaný elektrodynamika, což je podobor elektromagnetismu Infračerveným zářením, viditelným světlem a ultrafialovým zářením se zabývá optika. Na elektromagnetické záření se stejně jako na cokoliv jiného dá nahlížet jako na vlnu nebo proud částic (fotonů) Část viditelného spektra

5 Druhy elektromagnetického zářenz ení Elektromagnetické záření se rozděluje podle vlnových délek: Rádiové vlny o Dlouhé vlny o Střední vlny o Krátké vlny o Velmi krátké vlny o Ultra krátké vlny o Centimetrové vlny a kratší, také nazývané mikrovlnné záření Infračervené záření Viditelné světlo Ultrafialové záření Rentgenové záření Gama záření

6 Příklady spekter: a) spojité spektrum b) čárové (emisní) spektrum c) pásové spektrum d) absorpční čárové spektrum

7 Barva Vlnová délka Frekvence červená ~ 625 až 740 nm ~ 480 až 405 THz oranžová ~ 590 až 625 nm ~ 510 až 480 THz žlutá ~ 565 až 590 nm ~ 530 až 510 THz zelená ~ 520 až 565 nm ~ 580 až 530 THz azurová ~ 500 až 520 nm ~ 600 až 580 THz modrá ~ 430 až 500 nm ~ 700 až 600 THz fialová ~ 380 až 430 nm ~ 790 až 700 THz

8

9 Lupa optický systém používaný na optické zvětšení pozorovaného předmětu, který je dostatečně malý a nachází se v blízkosti pozorovatele. Skládá se ze spojné čočky, vyrobené typicky ze skla nebo průhledného plastu a držátka, které může mít mnoho různých podob, od prosté tyčky, za kterou lze lupu držet, přes různé stojany, až po pouzdra, do kterých lze lupu zároveň uschovat. Princip: a) Pozorování předmětu bez lupy, kde α označuje zorný úhel. b) Pozorování stejného předmětu s lupou. Zorný úhel α je větší než úhel α při pozorování bez lupy.

10 Dalekohled přístroj sloužící k optickému přiblížení pomocí soustavy čoček nebo i zrcadel. Dělí se na reflektory, jejichž objektiv je tvořen zrcadlem a refraktory, jejichž objektiv je tvořen jednou čočkou, nebo jejich soustavou. První dalekohled si 2. října 1608 nechal patentovat holandský optik Hans Lippershey. Jeho poznatky použil již o rok později známý italský vědec Galileo Galilei a pomocí zdokonaleného dalekohledu za použití spojky a rozptylky učinil plno převratných objevů, jako jsou Jupiterovy měsíce nebo skvrny na Slunci. Bohužel při pozorování Slunce si nechránil zrak a později oslepl. Dále přispěl ke zdokonalení dalekohledu Johannes Kepler který vytvořil první dalekohled pomocí dvou spojek. Získal tak sice převrácený, ale ostřejší obraz. Také Isaac Newton přispěl ke zdokonalení dalekohledu, když při konstrukci použil zrcadlo a zbavil se tak běžné vady dalekohledů a to barevného rozkladu světla. Moderní triedr používá soustavu čoček a hranolů. Největším dalekohledem na světě je v současné době jihoafrický SALT.

11 Optický mikroskop česky též drobnohled optický přístroj pro zobrazení malého sledovaného objektu ve větším zvětšení Pod označením mikroskop je obvykle myšlen optický mikroskop pro zobrazení využívá světelných paprsků

12 Historie Podle některých zdrojů první drobnohled sestavil v roce 1590 v Holandsku Zacharias Jansen. V roce 1610 se na základě Jansenovy konstrukce mikroskopií zabýval Galileo Galilei. Jeden z jednoduchých mikroskopů sestavil v roce 1676 holandský obchodník a vědec Anton van Leeuwenhoek, jehož práce patřily k vrcholům mikroskopického pozorování 17. století. Významné bylo dílo Roberta Hooka Micrographia, v němž popsal v roce 1665 konstrukci mikroskopu s odděleným objektivem, okulárem a osvětlovacím zařízením. Jako první zahájila výrobu mikroskopů firma Carl Zeiss v roce 1847.

13 Popis mikroskopu Čočky - tvoří objektiv a okulár (často výměnné) Jednoduchý mikroskop složen ze dvou spojných soustav čoček, které mají společnou optickou osu: Objektiv - malá ohnisková vzdálenost (řádově v milimetrech) Pozorovaný předmět se umisťuje blízko před předmětové ohnisko, takže vzniká skutečný, zvětšený a převrácený obraz. Tento obraz vzniká mezi druhou částí mikroskopu, tzv. okulárem, a jeho předmětovým ohniskem. Vzniklý obraz pak pozorujeme okulárem podobně jako lupou, čímž získáváme další zvětšení. Ohnisková vzdálenost okuláru se pohybuje v řádech centimetrů. Obrazové ohnisko objektivu a předmětové ohnisko okuláru nesplývají, ale jsou od sebe vzdáleny o hodnotu optického intervalu, jehož hodnota se u mikroskopu pohybuje mezi 15 cm a 20 cm.

14 Pro úhlové zvětšení mikroskopu platí vztah Grafická konstrukce optického zobrazení mikroskopem. kde γ a γ 0 označuje zvětšení objektivu a okuláru, f je obrazová ohnisková vzdálenost objektivu, f0 je předmětová ohnisková vzdálenost okuláru, Δ je optický interval mikroskopu a d je konvenční zraková vzdálenost. Optickým mikroskopem se běžně dosahuje zvětšení 50 až Maximální teoretické zvětšení je asi 2000 a to již naráží na fyzikální bariéry kvůli omezení délky světelných vln.

15 Elektronová mikroskopie Elektronový mikroskop - obdobou optického mikroskopu, kde jsou fotony nahrazeny elektrony a optické čočky elektromagnetickými čočkami, což je vlastně vhodně tvarované magnetické pole. Využívá se toho, že vlnové délky urychlených elektronů jsou o mnoho řádů menší než fotonů viditelného světla. Proto má elektronový mikroskop mnohem vyšší rozlišovací schopnost a může tak dosáhnout mnohem vyššího zvětšení (až ). Jeho vynálezce Ernst Ruska obdržel za svůj objev Nobelovu cenu. Preparáty - ultratenké řezy (30-60 nm), výbrusy

16 Typy transmisní elektronový mikroskop (TEM) - nepohyblivý elektronový svazek, detekce elektronů prošlých vzorkem (TE) na fluorescenčním stínítku nebo detektorem. rastrovací elektronový mikroskop (SEM) - pohyblivý svazek, zobrazení povrchu vzorku pomocí sekundárních elektronů (SE), odražených elektronů (BE), případně signálu z jiných detektorů.

17 Detektory SEM SE detektor - detektor sekundárních elektronů BSE detektor - detektor odražených elektronů TE detektor - detektor prošlých elektronů EDX / WDX mikroanalýza- detekce RTG záření, rentgenová spektroskopie EBSD - difrakce odražených elektronů (kanálovací efekt)

18 Konfokáln lní mikroskop druh optického mikroskopu, výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu, tzv. konfokál. Známy jsou tyto typy mikroskopu: rastrující konfokální mikroskop -skenující zařízení zařizuje posun ohniska excitujícího laserového paprsku konfokální mikroskop s rotujícím diskem - místo skenujícího zařízení obsahuje rotující Nipkowovův kotouč, na kterém je mnoho navzájem oddělených clonek Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu: Laserový paprsek (intenzivní bodový zdroj světla) je fokusován na clonku, dále prochází objektivem až na vzorek, kde je obraz clonky fokusován do bodu, jehož průměr odpovídá difrakční mezi (rozlišovací mez). Přes stejný objektiv jde zpětně i světlo na vzorku odražené či rozptýlené, případně fluorescence. Sekundární světlo putující zpět prochází opět clonkou, jejichž bodový obraz je s pomocí děliče paprsků lokalizován před fotonásobič, kde.je umístěna druhá konfokální bodová clonka, která filtruje světlo pocházející z oblasti mimo ohniskovou rovinu mikroskopu. Obraz celé zaostřené roviny lze pak získat rastrováním bod po bodu některým z těchto postupů: rozmítání laserového paprsku příčný posuv vzorku před objektivem posuv objektivu nad vzorkem. Rozlišovací schopnost: Při použití objektivu o NA (numerická apertura) cca 1,3 a s využitím modrozelené čáry Ar laseru (λ = 488 nm) by odpovídala tloušťka optických řezů asi 0,4 mikrometru. Dále při maximálním průměru konfokální clonky odpovídajícímu 1/4 průměru centrálního maxima Airyho kroužku, lze tvrdit, že rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu je přibližně 1,4x lepší než klasického mikroskopu o téže NA objektivu.

19 Polarizační mikroskop řídí se Biotovými zákony: Velikost stočení polarizační roviny je úměrná vzdálenosti, kterou světlo v látce urazilo. Velikost pravotočivého a levotočivého stočení stejné látky se odlišuje pouze znaménkem. Velikost stočení způsobené několika vrstvami látky se algebraicky sčítá. Velikost stočení klesá s rostoucí vlnovou délkou světla úměrně druhé mocnině. V dnešní době má uplatnění především v mineralogii, biologické aplikace po zavedení elektronové mikroskopie ztratily na významu. Vedle ultramikroskopu bylo použití polarizačního mikroskopu základem tzv. submikroskopické morfologie protoplasmy. Použití: V biologii se používá v případech, kdy je potřeba vyloučit chyby vzniklé dvojlomem, při některých cytofotometrických experimentech či v patologii. Ve forenzní chemii se polarizační mikroskop používá k podrobnějšímu zkoumání, především vláken a vlasů.

20 Mikroskopie atomárn rních sil (AFM z anglického atomic force microscopy) - mikroskopická technika, která se používá k trojrozměrnému zobrazování povrchů. Prvně ji realizovali v roce 1986 a Binnig, Quate Gerber. Obraz povrchu se zde sestavuje postupně, bod po bodu. Metoda dosahuje velmi vysokého rozlišení může zobrazovat i atomy. Techniku AFM lze použít nejen k zobrazování, ale také k tvorbě struktur či zpracování povrchů v nanometrové oblasti. V principu je AFM podobná metoda jako tunelová mikroskopie. K detekci však neslouží elektrický proud, ale vzájemná meziatomová přitažlivost. Detekuje se pohyb zkoumacího hrotu při průchodu nad vzorkem. Umí zobrazovat i nevodivé vzorky. Nazývá se někdy také SFM (scanning force microscopy).

21 Popis metody Základem AFM je velmi ostrý hrot, který je upevněn na ohebném nosníku (angl. cantilever, tento termín se používá i v čestině). Hrot je mírně vtlačován do vzorku a následkem působících sil je nosník ohnutý, v souladu s Hookovým zákonem. Během měření se hrot pohybuje po povrchu vzorku v pravidelném rastru (skenuje) tak, že výška druhého konce nosníku je konstantní. Je-li povrch vzorku nerovný, má nosník v různých místech vzorku různou velikost ohnutí a sledováním závislosti ohnutí na poloze na vzorku můžeme sestavit zvětšený obraz vzorku. Předchozí způsob měření však vede k poškození hrotu, pokud by nerovnost vzorku byla příliš velká. Proto se častěji používá režim využívající zpětné vazby, tzv. režim s konstantním ohnutím, ve kterém se v každém bodě rastru porovná současná hodnota ohnutí s přednastavenou hodnotou, a pokud se liší, nosník s hrotem se přiblíží nebo oddálí od vzorku o takovou vzdálenost z, aby se hodnota ohnutí opět shodovala s přednastavenou hodnotou. Místo velikosti ohnutí se pak k sestavení obrazu použijí hodnoty z. Konstantní hodnota ohnutí zároveň znamená, že na vzorek působí konstantní síla. Uvedený režim může zobrazovat i drsnější vzorky, ale je pomalejší (sběr obrázku trvá delší dobu). Oba uvedené režimy, tzv. kontaktní, však mohou vést k poškození vzorku, protože během přesunu z jednoho bodu do druhého působí mezi hrotem a vzorkem velké třecí síly. Proto se používají tzv. bezkontaktní režimy, v nichž není mezi hrotem a vzorkem přímý mechanický kontakt. Hrot a vzorek na sebe působí především skrze van der Waalsovu sílu. Protože tato síla je velmi malá, provozuje se bezkontaktní režim tak, že je nosník rozkmitáván a místo jeho ohnutí se měří velikost amplitudy. Protože velikost amplitudy závisí na vzdálenosti mezi hrotem a vzorkem, lze sledováním změn amplitudy sestavit obraz povrchu vzorku.

22 Přesnost podmíněna přesností udržování polohy hrotu, přesností jeho pohybu a schopností detekce ohnutí. Pro pohybování hrotem se používají výhradně piezoelektrické skenery, které jsou schopny realizovat pohyby menší než desetina nanometru. Aby bylo možno udržet přesnou polohu hrotu, staví se mikroskopy AFM mechanicky velmi pevné a bývají umístěny na antivibračních stolech. Detekce ohnutí nosníku se provádí nejčastěji pomocí laseru. Laserový svazek z laserové diody se nechá dopadat na nosník, od něho se odráží podle zákona odrazu a dopadá na fotodetektor. Změní-li se ohnutí nosníku, změní se i úhel dopadu svazku na nosník a proto svazek dopadne do jiného místa fotodetektoru. Bude-li fotodetektor citlivý na místo dopadu svazku, může se z jeho výstupu určit ohnutí nosníku.

23 Vlastnosti AFM může zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu (vzorek vyžaduje fixaci, nemůže například plavat v roztoku). Ve srovnání s optickou mikroskopií však dosahuje značně většího rozlišení, které je srovnatelné s rozlišením elektronové mikroskopie. AFM však poskytuje trojrozměrný obraz, kdežto elektronová mikroskopie dvojrozměrnou projekci. AFM zpravidla nevyžaduje, aby se vzorek speciálně připravoval (např. pokovením) ani nevyžaduje vysoké vakuum. AFM může dokonce pracovat v kapalném prostředí, což je výhodné především pro studium biologických vzorků, které mohou být při zobrazování ve svém fyziologickém prostředí a lze v některých případech sledovat jejich funkci nebo reakci na změnu prostředí (změna ph, teploty, chemického složení).

24 Nevýhodou AFM je velmi omezený rozsah velikosti obrázku a pomalost snímání. Maximální velikost obrazu bývá řádově stovky mikrometrů a sestavení jednoho obrazu trvá řádově minuty. Dále je v AFM omezen i vertikální rozsah (maximální výška vzorku), který bývá typicky desítky mikrometrů. Problémy způsobuje také blízkost hrotu a vzorku (silná interakce, možnost zachycení hrotu, znečištění hrotu, poškození vzorku) a nenulová šířka hrotu, která vede k deformaci obrazu.

25 Refraktometr Slouží k měření indexu lomu Pomocí lomu světla Pomocí interference světla

26 Index lomu bezrozměrná fyzikální veličina popisující šíření světla a všeobecně elektromagnetického záření v látkách V nejjednodušším případě pro průhledné a čiré látky lze index lomu n považovat za konstantu, vztahující se k celému rozsahu viditelného světla. V tom případě je index lomu vždy větší než 1 a rychlost šíření světla v dané látce v je určena vztahem kde c je rychlost světla ve vakuu. Takto definovaný index lomu se označuje jako absolutní index lomu. Pro přechod mezi z prostředí s indexem lomu n1 do prostředí s indexem lomu n2 se často používá relativní index lomu n21, který je definován jako: Pro přechod vlnění opačným směrem je index lomu Pomocí absolutního indexu lomu lze psát kde v1 je rychlost šíření vln v prvním prostředí (s indexem lomu n1) a v2 je rychlost šíření ve druhém prostředí (s indexem lomu n2). Na rovinném rozhraní dvou látek s různými indexy lomu dochází k lomu světla dle Snellova zákona.

27 Absolutní index lomu některých n látekl Látka index lomu vakuum 1 vzduch (normální tlak) 1,0003 led 1,31 voda 1,33 etanol 1,36 sklo 1,5 až 1,9 sůl 1,52 safír 1,77 diamant 2,42

28 Interference světla vzájemné ovlivňování, prolínání nebo střetání jevů či hmoty. Nejčastěji se jedná o charakteristickou vlastnost vln. Při jejich pohybu a prolínání se v určitém bodě vzájemně zesilují, zatímco v jiných bodech vzájemně ruší. Tyto jevy se zobrazují pomocí interferenčního obrazu (interferenčního obrazce), kde je vidět střídající se projevy zesilování a zeslabování. Příklad interference rovinných vln. Příklad kruhových vln.

29 Spektráln lní přístroje umožňují oddělení světla o určité vlnové délce (tedy určité barvy světla) a následné zkoumání vlastností světla i jeho zdroje. Při zkoumání se využívá lomu, ohybu nebo interference světla. Spektrální přístroje, které jsou vybaveny dalekohledem, a umožňují subjektivní pozorování, se nazývají spektrometry. Přístroje se záznamovým zařízením jsou označovány jako spektrografy. Ke spektrální analýze slouží také různé druhy optických hranolů, či spektroskopů, jejichž konstrukce je podobná spektrometrům. Totální reflexe na hranolu.

30 Interferenční přístroje Interferometry využívají interference světla, a to především k velmi přesnému měření vzdáleností. Přesné interferometry využívají zdrojů koherentního záření, tzv. laseru. Interferometry však slouží také např. ke zjišťování koncentrace metanu v dolech apod. Konstrukce Laseru: 1. Aktivní prostředí 2. Zdroj záření 3. Odrazné zrcadlo 4. Polopropustné zrcadlo 5. Laserový paprsek

31 Fotometrické přístroje Fotometrické přístroje slouží ke zjišťování fotometrických veličin (svítivost zdroje, světelný tok, světelnou energii nebo osvětlení), především intenzity světla. Podle hodnot intenzity dopadajícího, odraženého či prošlého světla lze určit některé vlastnosti zkoumané látky.