1. Микроскоп. Формула для увеличения

Оптическая система простейшего микроскопа состоит из двух линз:объектива и окуляра. Объектив - короткофокусная собирающая линза, окуляр - длиннофокусная.

где f - фокусное расстояние всей системы, равное f=f_обf_ок / l.

Предел разрешения - это такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различимы.

Свойство оптической системы давать раздельное изображение двух близко расположенных светящихся (или освещенных) точек называют разрешающей способностью системы. Это есть величина, обратная пределу разрешения.

Предел разрешения микроскопа Z:

Z = / sin( /2)

Ультрафиолетовый микроскоп

Один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа - использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Принципиальная схема оптическая такого микроскопа аналогична схемам обычного микроскопа. Т.к. глаз непосредственно не воспринимает этого излучения, то употребляются фотопластинки, люминесцентные экраны или электронно-оптические преобразователи.

Иммерсионные системы

Дальнейшим усовершенствованием микроскопа явилось применение иммерсионного объектива. Так называют объектив, у которого пространство между предметом (покровным стеклом препарата) и входной линзой заполняется жидкой средой - иммерсией - с показателем преломления, близким к стеклу, например, глицерином (n = 1,45) или монобромнафталином (n = 1,65). При иммерсионном объективе, во-первых, значительно увеличивается яркость изображения и, во-вторых, повышается разрешающая способность микроскопа.

При иммерсии свет от предмета до объектива проходит по оптически однородной среде и не дает потерь на отражение. Это значительно повышает яркость изображения.

Величина А = sin( /2) для сухого или А_n = n sin( /2) для иммерсионного объектива называется численной (числовой) апертурой Z =  / A, или деленной на удвоенную численную апертуру при наклонном освещении: Z =  / 2A;

при иммерсионном объективе Z =  / 2n A.

Максимальный апертурный угол может быть порядка 70⁰ , тогда для сухого объектива ему соответствует числовая апертура А= sin70⁰ = 0,94; Z 0,30 мкм.

Для иммерсионного объектива при n = 1,5 А_n = 1,5 0,94 = 1,4; Z0,19 мкм.

Полезное увеличение K_m = 2A Z_гл / . Z_глаза (на расстоянии наилучшего зрения) равно от 140 до 280 мкм.

Специальные приемы микроскопии:

1. Измерение размеров малых объектов.

Определение величины микроскопируемого предмета делается с помощью нанесенных на стеклянную пластинку масштабных шкал, называемых окулярным и объектным микрометрами.

2. Микропроекция и микрофотография.

Если перевернуть окуляр так, что изображение, которое дает объектив, окажется дальше фокусного расстояния окуляра, то последний будет давать действительное изображение, которое может быть спроецировано на экран или фотопленку.

3. Метод фазового контраста – в получаемом видимом изображении распределение яркостей (амплитуд) воспроизводит фазовый рельеф.

4. Метод темного поля, ультрамикроскопия.

Метод тёмного поля в проходящем свете применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при освещении по обычными методами. Метод ультрамикроскопии основан на том же принципе.

Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами. Теория Бора. Спектр водорода. Основы спектрального анализа. Люминесценция, её виды и характеристики. Законы Стокса и Вавилова. Фотобиологические процессы.

В 1913 году Бором предложена теория излучения света, которая основывается на двух постулатах:

1. Внутренняя энергия атома дискретна, то есть может принимать только определённые дозволенные значения или уровни, кратные характерным для данного атома количествам, или квантам энергии.

2. Испускание (или поглощение) электромагнитного излучения происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

На основе этих постулатов Бор разработал теорию излучения и поглощения энергии света атомом водорода. Он предположил, что из всех возможных орбит электрона осуществляются только те, для которых момент импульса (момент количества движений) равен целому кратному постоянной Планка, делённой на 2 :

(n = 1, 2, 3, . . .)

Число n, называется главным квантовым числом, соответствует порядковому номеру орбиты, v – скорость движения электрона по стационарной орбите.

В случае атома водорода кулоновская сила взаимного притяжения протона и электрона является центростремительной силой, удерживающей электрон на орбите, то есть: , где m и е - масса и заряд электрона, r - радиус орбиты.

Таким образом, радиусы стационарных орбит атома водорода прямо пропорциональны квадрату квантового числа n².

Энергетический уровень атома обусловлен полной энергией электрона, которая слагается из кинетической энергии электрона (ядро неподвижно) и энергии взаимодействия электрона с ядром (потенциальной энергии). Потенциальная энергия электрона (по знаку она отрицательна как потенциальная энергия сил притяжения) равна:

Поскольку энергетические уровни обратно пропорциональны квадрату квантового числа n², разность между каждыми двумя соседними уровнями по мере возрастания числа и по абсолютной величине уменьшается. Таким образом, по мере удаления от ядра разность между двумя соседними энергетическими уровнями атома убывает:

E₂ - E₁ > E₃ - E₂ > E₄ - E₃ ,. . .

Стационарный уровень с наименьшей энергией называется основным, он соответствует состоянию атома, не подвергающегося никаким внешним воздействиям. Остальные стационарные уровни называются возбуждёнными.

Возбуждение атома, то есть переход электрона на орбиту большего радиуса (переход 1), требует сообщения атому дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий. Возбужденное состояние неустойчиво, примерно через 10^-8 сек электрон возвращается на основную орбиту, при этом излучается фотон, уносящий дополнительную энергию, полученную при возбуждении, и атом, переходит в основное состояние (переход 2).

В спектре излучения атома водорода можно выделить несколько серий. Каждая серия соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный.

По Вавилову С. И.: Люминесценция есть свечение вещества, являющееся избыточным над тепловым излучением этого вещества при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период излучаемых световых волн.

По способу возбуждения молекулы люминесценцию различают:

1. Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионолюминесценция - ионами; катодолюминесценция - электронами; радиолюминесценция - ядерным излучением.

2. Люм-я, вызванная квантами рентгеновского излучения – рентгенолюминесценция; оптического излучения - фотолюминесценция.

3. Люминесценция, вызванная электрическим полем - электролюминесценция.

4. Люминесценция, сопровождающая химическую реакцию, называется хемилюминесценцией. К ней относится биолюминесценция - видимое свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности.

По внутриатомным процессам различают люминесценцию:

а) спонтанную; б) вынужденную; в) рекомбинационную.

При спонтанной люминесценции излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. Некоторые энергетические уровни молекулы или атома могут быть метастабильными, т.е. вероятность переходов электронов с этих уровней на любые уровни с меньшей энергии очень мала. Атом или молекула может достаточно долго находится в таком электронно-возбужденном состоянии. Переход с метастабильного на основной уровень может быть ускорен путем внешнего энергетического воздействия на атом или молекулу. Вызванное при этом излучение называется вынужденным, а само явление вынужденной люминесценцией. Рекомбинационной называется люминесценция, происходящая в результате рекомбинационных процессов.

Фотолюминесценция делится на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение).

Спектр люминесценции в целом и его максимум всегда оказывается в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения, способного вызвать эту люминесценцию. Это правило называется правилом Стокса.

Энергия падающего фотона h₀ расходуется на излучение (h₁) и безизлучательные процессы (A) внутри вещества: h₀ = h₁ + A

Энергетический выход В_Э люминесценции - отношение энергии люминесценции W_Л к поглощенной энергии Wп: В_Э ;

Квантовый выход B_К люминесценции - отношение числа квантов N_Л, излученных веществом, к числу N_П поглощенных квантов: .

Свечение, сопровождающее химические реакции, называется хемилюминесценцией.

Биолюминесценция - это свечение живых организмов, видимое простым глазом. Способностью к биолюминесценции обладают организмы, принадлежащие к самым разным систематическим группам: бактериям, грибам, моллюскам, насекомым.

Основы фотоколориметрии и спектрофотометрии. Определение оптической плотности и концентрации растворов.

Спектры поглощения и испускания вещества являются источником информации о качественном составе (из каких молекул или атомов состоит вещество), количественном соотношении различных компонентов вещества, их состоянии и структурной организации.

В спектральном анализе используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный спектральный анализ).

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и так далее.

Абсорбционные спектры широко используются в современных биохимических и биофизических работах.

Различают качественный (определение состава вещества) и количественный (определение концентраций соединений, входящих в данное вещество) спектральный анализ.

Ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе (концентрационная колориметрия) разработан на основе закона Бугера-Ламберта-Бера. В этих методах измеряют световые потоки, прошедшие через раствор, коэффициент пропускания или оптическую плотность. Нижние границы концентраций, определяемых с помощью колориметров, в зависимости от рода вещества составляют 10^-3 ¸ 10^-8 моль/л.

Приборы, используемые в концентрационной колориметрии, имеют общее название - колориметры; их подразделяют на субъективные (визуальные) и объективные (фотоэлектроколориметрические). ФЭК используют в клинической практике, в частности, для измерения насыщения крови кислородом, то есть для определения количества оксигемоглобина. Соответствующие приборы называют оксигемометрами или оксигемографами.