Κυματική Φύση του φωτός και εφαρμογές Περίθλαση Νέα οπτικά μικροσκόπια Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ
Επαλληλία κυμάτων Διαφορά φάσης Δφ=0 Ενίσχυση Δφ=180 Απόσβεση
Κάθε σημείο του μετώπου ενός κύματος λειτουργεί σαν δευτερεύουσα πηγή κυμάτων στον χώρο.
ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ: Απόκλιση από την ευθύγραμμη πορεία του φωτός λόγω επαλληλίας κυμάτων Σύμφωνα με την αρχή του Huygens κάθε σημείο της οπής λειτουργεί σαν δευτερεύουσα πηγή κυμάτων στο χώρο. Τα φαινόμενα περίθλασης συμβαίνουν κυρίως όταν οι διαστάσεις της οπής είναι ισες η μικρότερες του μήκους κύματος λ
ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ Επίσης η επαλληλία κυμάτων δημιουργεί φαινόμενα συμβολής που παράγουν κροσσούς. Το διαμόρφωμα περίθλασης περιέχει πληροφορίες για το σχήμα και διαστάσεις του ανοίγματος. σχισμή κυκλική οπή Βλ. Phet : Wave interference
Περιθλαση Fraunhofer από κυκλικό διάφραγμα Πρότυπα περιθλασης (diffraction patterns) που προκύπτουν από ακτίνες που συναντούν ένα διάφραγμα και είναι παράλληλες μεταξύ τους, ονομάζονται πρότυπα Fraunhofer. Η περιθλαση Fraunhofer είναι υπεύθυνη για τη διακριτική ικανότητα των φακών. Διακριτική ικανότητα ενός φακού είναι η ελαχίστη απόσταση δύο σημείων, ώστε αυτά να ειναι διακριτά από τον παρατηρητή, μέσω του φακού. Ένα διάφραγμα διαμέτρου D παράγει επάνω σε ένα παράλληλο πέτασμα το πρότυπο περιθλασης της επόμενης εικόνας, με την προϋπόθεση ότι η φωτεινή πηγή είναι σημειακή και το κύμα που παράγεται απ αυτή είναι επίπεδο (παράλληλη δέσμη ακτίνων). Δίσκος Airy Η γωνία θ με την οποία το κέντρο του διαφράγματος, με διάμετρο D, βλέπει την ακτίνα του πρώτου σκοτεινού κυκλικού κροσσού, βρίσκεται από τη σχέση: sinθ = 1.22(λ/D). Επειδή η γωνία θ είναι πολύ μικρή, η προηγούμενη σχέση παίρνει τη μορφή: Από αυτή τη σχέση, φαίνεται ότι όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του διαφράγματος, τόσο μεγαλύτερη είναι γωνία θ υπό την οποία φαίνεται απ αυτό η ακτίνα του πρώτου σκοτεινού κροσού, δηλαδή, τόσο μεγαλύτερη κυκλική επιφάνεια καταλαμβάνει επάνω στο διάφραγμα ο κεντρικός φωτεινός κροσός.
Ένας φακός ενός οπτικού-μεγεθυντικού συστήματος παρατήρησης, όπως είναι π.χ. το μικροσκόπιο, που χρησιμοποιείται για να προσφέρει υψηλή διακριτική ικανότητα στον χρήστη, είναι ένα διάφραγμα διαμέτρου D, που κατασκευάζει τα είδωλα δύο ασύμφωνων σημειακών πηγών, που απέχουν μεταξύ τους γωνιακή απόσταση α. Η διάκριση των σημειακών ειδώλων για να είναι εφικτή, πρέπει η γωνιακή απόσταση μεταξύ των δύο κέντρων των δύο κύριων φωτεινών κυκλικών κροσών, να είναι μεγαλύτερη ή ίση της γωνιακής απόστασης της ακτίνας του πρώτου σκοτεινού κροσού. Η προηγούμενη πρόταση, που εκφράζεται ποσοτικά με τη σχέση: ονομάζεται κριτίριο Rayleigh για τη διακριτική ικανότητα. Στο Σχήμα φαίνεται η διάκριση των δύο σημειακών ειδώλων για γωνιακή απόσταση μεγαλύτερη και ίση του κριτιρίου Rayleigh, αντίστοιχα. Είναι προφανές πως η διακριτική ικανότητα ενός οπτικού συστήματος είναι τόσο μεγαλύτερη (δηλαδή, η γωνία α κ μικραίνει) όσο ποιό μικρό είναι το μήκος κύματος, λ, της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας.
ΑΣΚΗΣΗ Η διάμετρος της κόρης του ματιού μεταβάλλεται μεταξύ 4 και 1,5 mm. Μπορεί το μάτι σας να διακρίνει σαν ξεχωριστές δυο τελείες στον πίνακα που απέχουν μεταξύ τους 3 mm, η όχι και γιατί; Ο πίνακας απέχει 10 m από εσάς. Υπενθυμίζεται οτι το φως εχει μήκη κύματος μεταξύ 400 nm και 800 nm. θ x L ΛΥΣΗ sinθ=1,22 λ/d Το όριο διακρ. ικανότητας θα είναι μικρότερο για min λ (400 nm) και max D (4 mm). Για μικρές γωνίες sinθ ~ θ ~ x/l άρα x= θ L = 1,22 λl / D = 1,22 400 nm 10 m / 4 mm = 1,22 mm < 3 mm Άρα μπορούμε να διακρίνουμε τις τελείες σαν ξεχωριστές ΑΣΚΗΣΗ Ποια είναι η ελάχιστη απόσταση που μπορούν να έχουν 2 τελείες πάνω σε ένα χαρτί που διαβάζετε ώστε να τις διακρίνετε;
ΤΤα νέα είδη οπτικών μικροσκοπίων
Νέα Οπτικά Μικροσκόπια Για να αυξήσουμε την αντίθεση εικόνας: Αντίθεση εικόνας (contrast) Αντίθεση πλάτους Αντίθεση φάσης Αντίθεση εικόνας =100 x (Ι υποβ -Ι δειγμα )/ Ι υποβ
Μικροσκοπία φθορισμού (Χρησιμοποιεί φθορίζουσες χρωστικές για το δείγμα) (Φθορισμός: φθορίζουσα χρωστική που ακτινοβολείται, εκπέμπει ταυτόχρονα ακτινοβολία μεγαλύτερου λ )
Μικροσκοπία αντίθεσης φάσης (Χρησιμοποιεί την μετατόπιση φάσης του φωτός που περνά από το δείγμα για να αυξήσει το contrast). Έτσι σχεδόν διαφανή δείγματα π.χ κύτταρα είναι τώρα ορατά) Μικρή αντίθεση μεγάλη αντίθεση Η συνολική διαφορά φάσης μεταξύ μη εκτρεπώμενης και περιθλώμενης από το δείγμα ακτινοβολίας προκαλεί διακυμάνσεις της έντασης στο είδωλο
Μικροσκοπία αντίθεσης διαφορικής συμβολής (Χρησιμοποιεί την σχετική μετατόπιση φάσης του φωτός δυο ακτίνων που περνούν από το δείγμα για να αυξήσει το contrast)
Συνεστιακή μικροσκοπία σάρωσης λέιζερ (Χρησιμοποιεί ακτίνα λειζερ που εστιάζεται σε κάποιο σημείο του δείγματος και μετά σαρώνει όλο το δείγμα)
Τι είναι κρύσταλλος; Οι κρύσταλλοι είναι στερεά σώματα όπου τα άτομα (η μόρια) είναι διατεταγμένα στο χώρο με μια περιοδική κανονικότητα
Kρυσταλλογραφία ακτίνων Χ Τι είναι η κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ; Η κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ είναι μία πειραματική μέθοδος που μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τη δομή των κρυσταλλων στον χώρο. Στην πραγματικότητα «βλέπουμε» τα άτομα και μόρια που βρίσκονται στην κρυσταλλική κατάσταση. Οι γνώσεις που προκύπτουν έχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές στην ζωή μας.
Πώς αλληλεπιδρούν οι ακτίνες Χ με κρυστάλλους; Αν βομβαρδίσουμε έναν κρύσταλλο με ακτίνες-χ, τα άτομα στον κρύσταλλο σκεδάζουν τις ακτίνες-χ. Συνεπώς τα άτομα λειτουργούν σαν δευτερεύουσες πηγές κυμάτων. Λόγω επαλληλίας κυμάτων, οι σκεδαζόμενες ακτίνες Χ δημιουργούν διαμορφώματα περίθλασης πάνω σε ανιχνευτή η φωτογραφικό φιλμ. Τα διαμορφώματα αυτά περιέχουν πληροφορίες που μπορούν να αναλυθούν για να προσδιοριστεί η μοριακή δομή του κρυστάλλου. το 1915. κρύσταλλος Διαμόρφωμα περίθλασης
Παράδειγμα προσδιορισμού απλής κρυσταλλικής δομής: Αν ένας κρύσταλλος αποτελείται από ένα είδος ατόμων που απέχουν ίδια απόσταση d μεταξύ τους σε δύο διαστάσεις, όπως δείχνει το επόμενο σχήμα ακτίνες Χ που προσπίπτουν σε ένα ατομικό επίπεδο με γωνία θ ως προς αυτό (και όχι ως προς την κάθετο στο επίπεδο), καθώς ανακλώνται θα εμφανίσουν φαινόμενα συμβολής με μέγιστο έντασης όταν η διαφορά δρόμου των δύο συμβαλλόντων κυμάτων είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος λ της ακτινοβολίας Χ: 2d sinθ = nλ (n = 1,2,3,...) (Εξίσωση του Bragg) Είναι προφανές ότι ξέροντας το μήκος κύματος λ των ακτίνων Χ και τη γωνία θ κατά την οποία συμβαίνει το κύριο μέγιστο της περίθλασης, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση d των ατόμων της συγκεκριμένης ατομικής διευθέτησης.
Ανιχνευτής κρύσταλλος πηγή ακτινων Χ Σύστημα κρυσταλλογραφίας Εργαστηρίου Φυσικής ΓΠΑ
Ποια γνώση έχει προέλθει από την κρυσταλλογραφία; Ο,τι γνωρίζουμε για τη γεωμετρία των μορίων (αποστάσεις, γωνίες, διαμορφώσεις κτλ.), παίζει σημαντικό ρόλο στις αντιδράσεις και γενικά στις ιδιότητες τους Δομές πολύ σπουδαίων ουσιών (βιταμίνη B12, πενικιλίνη, διάφορα φάρμακα, κ.α.) Οι δομές των πρωτεϊνών Δομές νουκλεινικών οξέων (DNA, RNA) Δομές συμπλόκων και οργανιδίων : το φωτοσύστημα ΙΙ, ακόμη και οργανίδια όπως το ριβόσωμα Δομές ιών Η κρυσταλλογραφία δημιούργησε καινούριο τρόπο σκέψεως στη Βιοχημεία και άνοιξε νέα πεδία ερεύνης, άγνωστα μέχρι τότε στον τομέα αυτόν. Σήμερα αποτελεί έναν καινούριο κλάδο της Βιολογίας: την Δομική Βιολογία. DNA Ριβόσωμα
Παλαιό Θέμα Εξετάσεων Εξετάζετε τα φύλλα από κάποιο φυτό για να διαγνώσετε πιθανή ασθένεια του. Αρχικά μελετάτε τα φύλλα με γυμνό μάτι, πάνω σε τραπέζι που απέχει 50 cm απο τα μάτια σας. α) Ποια είναι η μικρότερη απόσταση 2 μικροσκοπικών εντόμων στην επιφάνεια τους που μπορείτε να τα διακρίνετε με γυμνό μάτι; Η διάμετρος της κόρης του ματιού σας είναι 3 mm. Τι χρώμα φωτισμού είναι καλύτερα να χρησιμοποιήσετε; β) Στην συνέχεια, αρχικά χρησιμοποιείτε οπτικό μικροσκόπιο με προσοφθάλμιο φακό εστιακής απόστασης 8 mm και αντικειμενικό φακό εστιακής απόστασης 12 mm. Για να τριπλασιάσετε την μεγέθυνση, τι αντικειμενικό φακό πρέπει να βάλετε; γ) Ακολούθως, για να μελετήσετε την ασθένεια του φυτού σε κυτταρικό και μοριακό επίπεδο, επισκέπτεστε ενα πλήρως εξοπλισμένο εργαστήριο μικροσκοπίας και μοριακής ανάλυσης. Το εργαστήριο αυτό διαθέτει εκτός απο απλά οπτικά μικροσκόπια, πολωτικό μικροσκόπιο, μικροσκόπιο φθορισμού, μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και όργανο κρυσταλλογραφίας ακτινων Χ. Ποιο απο αυτα τα όργανα είναι κατάλληλο για κάθε μια απο τις παρακάτω παρατηρήσεις: Α. Κύτταρα που είναι σχεδόν διαφανή... Β. Ιοί μεγέθους 50 nm σε λεπτές τομές κυττάρων... Γ. Ατομική δομή πρωτεϊνικών μορίων φυτού... Δ. Ινώδεις ιστοί που αποτελούνται απο οπτικώς ενεργά υλικά... Ε. Ακάρεα (αρθρόποδα μεγέθους 0,08 mm, τρισδιάστατη επιφάνεια τους).. Ζ. Σήμανση συγκεκριμένων μορίων στο κύτταρο...