231

V. Оптика. Ядерная физика

Лабораторная работа №23

Основы использования поляризованного света в

медико-биологических исследованиях

Цель работы: 1. Познакомиться со способами получения поляризованного света.

2. Научиться определять концентрацию сахара в растворе.

3. Исследование распределения механических напряжений в образце под нагрузкой.

Литература

1.  1 , §§ 10.1, 18.8, 25.1 - 25.5.

2.  2 , §§ 60, 73 – 75.

Вопросы входного контроля

1. Дать понятие электромагнитной волны. Как возникают и распространяются электромагнитные волны в пространстве.

2. Какова природа света? Чем естественный свет отличается от поляризованного?

3. Укажите способы получения поляризованного света. Дайте их описание.

4. Что общего и в чем отличие в получении поляризованного света после прохождения призмы Николя и поляроида?

5. Какую роль играют поляризатор и анализатор в исследованиях с помощью поляризованного света?

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. Какие вещества называются оптически активными?

8. Опишите метод поляризационной микроскопии, применяемой для исследования биологических тканей.

9. Дать понятие изотропных и анизотропных веществ?

1. Краткая теория

Свет - электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов. Фотон – мельчайшая «частица» электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант ( = h). В любой электромагнитной волне вектор напряженности электромагнитного поля и вектор напряженности магнитного поля лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях. (см. рис. 1. )

Рис. 1.

Принято называть вектор световым вектором, т.к. электрическое поле является ответственным за формирование светового ощущения на сетчатке глаза.

Естественный свет - совокупность фотонов, световые векторы которых изменяются во всевозможных направлениях. Поляризованный свет - совокупность волн с параллельными световыми векторами. Плоскость, проходящая через и вектор скорости распространения светового луча , называется плоскостью поляризации.

Получение поляризованного света осуществляется различными способами, в частности: поляризация при прохождении через прозрачное вещество, поляризация при отражении, поляризация при прохождении через поляризаторы – устройства, в которых происходит двойное лучепреломление.

В медико-биологических исследованиях поляризованный свет применяется для определения содержания сахара и глюкозы в растворах, определения распределения механических напряжений в тканях, находящихся под нагрузкой, в поляризационной микроскопии и др.

2. Практическая часть Описание лабораторной установки.

В работе используется лабораторная установка, оптическая схема которой приведена на рис. 2.

Л - источник света, лампа накаливания;

К - двухлинзовый конденсор;

Т_ф - тепловой фильтр;

П - поляризатор;

А - анализатор.

Рис. 2. Оптическая схем лабораторной установки.

В качестве поляризатора и анализатора в приборе используются поляроиды. Для оценки угла поворота анализатора к нему жестко прикреплен транспортир. Чтобы оценить интенсивность света, прошедшего через анализатор, за ним устанавливают либо экран, либо фотоэлемент, преобразующий световую энергию в энергию электрического тока. Интенсивность падающего света пропорциональна величине фототока и оценивается по показаниям измерительного прибора - миллиамперметра.

Задание 1. Пронаблюдать изменение степени поляризации отраженного света от угла падения.

Приборы и материалы: источник света, поверхность отражения, поляризатор, фотоэлемент, миллиамперметр.

Выполнение задания:

а) под руководством преподавателя ознакомиться с лабораторной установкой;

б) поднести поляризатор к поверхности отражения;

в) вращая поляризатор относительно своей оси, по показаниям миллиамперметра, пронаблюдать изменение интенсивности отраженного света, прошедшего через поляризатор;

г) пронаблюдать изменение интенсивности отраженного света при фиксированном положении поляризатора относительно своей оси и изменением угла падения луча на плоскость, а, следовательно, и угла отражения от плоскости луча;

д) в отчете дать описание данного эксперимента, сделать вывод.

Задание 2. Исследовать зависимость интенсивности света, прошедшего через систему поляризатор - анализатор от взаимного расположения плоскостей поляризации.

Приборы и материалы: лабораторная установка, фотоэлемент, миллиамперметр.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с устройством лабораторной установки, найти в ней необходимые элементы, описанные ранее.

2. Оценку интенсивности прошедшего через анализатор света (I) производить по величине фототока измеряемого миллиамперметром (i), т.к. I  i. Тогда максимальное значение фототока (i₀) будет соответствовать максимальной интенсивности света после анализатора – I₀.

1. Включить установку и, вращая анализатор вокруг оси, найти его положение, при котором интенсивность прошедшего света после анализатора минимальна, при этом величина тока приблизительно равна 0. В этом случае угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора равен 90⁰, т.е. поляризатор и анализатор скрещены. Этот результат занести в таблицу 1.

3. Поворачивая анализатор от скрещенного положения по часовой стрелке до 180⁰ с шагом 10⁰ оценить величину тока. Результат зависимости i от  занести в таблицу 1.

То же проделать, поворачивая анализатор против часовой стрелки до 0⁰ с шагом 10⁰.

5. В таблицу 1 занести результаты расчета, полученные с использованием закона Малюса:

I = I₀ cos² ,

где  - угол между плоскостью поляризации поляризатора и анализатора,

I - интенсивность света, падающего на анализатор.

При условии совпадения плоскости поляризации поляризатора и анализатора (т.е.  = 0) интенсивность прошедшего света равняется I_о. Поскольку сила фототока i  I, то:

i_p = i₀  cos² ,

где i₀ - максимальная величина тока, которую приравнивают к максимальной величине тока, полученной в результате эксперимента.

Таблица 1

,^0	0	10	...	90	...	170	180
iэ, mА
ip, mA

6. По результатам табл. 1. построить график зависимости i = i () для экспериментальных и расчетных данных в одной плоскости координат.

Задание 3. Исследовать распределение механических напряжений в прозрачном образце, находящемся под нагрузкой.

Приборы и материалы: лабораторная установка, белый экран, прозрачный образец.

Выполнение работы:

1. Лабораторная установка для данного задания описана ранее. Кроме того в ней предусмотрен держатель для прозрачного образца, расположенный между поляризатором и анализатором. Для наблюдения изображения образца за анализатором установлен экран.

2. Ознакомиться с устройством лабораторной установки.

3. Прозрачный образец установить в держатель, слегка зажав винтом.

4. Вращая анализатор вокруг своей оси добиться максимального затемнения экрана, т.е. скрещенного положения поляризатора и анализатора.

5. Винтом держателя увеличивать нагрузку на образец.

6. Описать и объяснить в отчете изменение изображения образца на экране при увеличении нагрузки и снятии ее.

Задание 4. Определить концентрацию раствора сахара.

Приборы и материалы: лабораторная установка, фотоэлемент, миллиамперметр, 4 одинаковые кюветы с раствором известной и неизвестной концентрации сахара.

Выполнение работы:

Поскольку при прохождении поляризованным лучом одинакового расстояния через оптически активное вещество угол поворота плоскости поляризации пропорционален только концентрации раствора, то можно записать:

= к  С,

где  - угол поворота плоскости поляризации,

к - коэффициент пропорциональности,

С - концентрация раствора сахара.

Концентрацию неизвестного раствора можно вычислить по формуле:

С =  / к (3)

Таким образом, нахождение концентрации сводится к решению 2-х задач:

1. Определение угла поворота плоскости поляризации.

2. Нахождение коэффициента пропорциональности.

Задача 1: Определение угла поворота плоскости поляризации.

Порядок выполнения.

а). Лабораторная установка описана ранее. Оценка интенсивности света, прошедшего через анализатор производится по показаниям миллиамперметра. Кроме этого в данной работе между поляризатором и анализатором помещается столик для установки кюветы с раствором сахара.

б). Включить установку в отсутствии кюветы с раствором сахара. Вращая анализатор, установить его в скрещенное положение с поляризатором, в этом случае миллиамперметр фиксирует минимальную интенсивность.

в). Установить на столик кювету с известной концентрацией сахара, измерительный прибор при этом зарегистрирует увеличение интенсивности прошедшего света.

г). Вращая анализатор, снова добиться минимального показания измерительного прибора.

д). По транспортиру, прикрепленному к анализатору, оценить угол , на который повернули анализатор для получения минимального показания прибора.

е). Аналогичные измерения произвести для других концентраций и полученные результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2

С, %	10	20	30	х
0
к

Задача 2: Нахождение коэффициента пропорциональности «к».

1 способ. Согласно формуле (3) коэффициент «к» можно определить:

к =  / С.

Для растворов с известной концентрацией определить коэффициенты «к» и занести их в таблицу 2. Коэффициент «к» раствора С неизвестной концентрацией вычислить как среднее значение полученных коэффициентов:

.

2 способ. Зависимость является прямо пропорциональной (см. формулу 3). Коэффициент «к» равен тангенсу угла наклона прямой к горизонтальной оси.

Таким образом, для определения «к» по данным для растворов с известной концентрацией построить линейную зависимость . И определить тангенс угла наклона прямой, т.е. экстинкцию.

Таким образом, концентрация С неизвестного раствора равна:

С =  / .