ТЕМА 4. ОСНОВЫ ОПТИКИ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1.На рис. 1 графически представлены законы геометрической оптики.

1.1.На рис. 1 представлены законы отражения и преломления света на границе двух сред. Закон отражения гласит, что луч падающий, луч отражённый и нормаль, восстановленная в точку падения луча на границе двух сред, лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения. Закон преломления гласит, что луч падающий, луч преломлённый и нормаль, восстановленная в точку падения луча на границе двух сред, лежат в одной плоскости, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления - есть величина постоянная для данных двух сред: .

1.2. Абсолютный показатель преломления характеризует оптическую плотность среды. Он показывает, во сколько раз сколько раз скорость света в вакууме ( ) больше, чем скорость света в данной среде ( ): . 1.3.Это отношение абсолютных показателей двух сред:

2. На рис.2 представлена схема явления, которое применяется в медицине.

2.1.На рис.2 представлено явление полного внутреннего отражения. 2.2.Это явление наблюдается при переходе света из более оптически плотной среды в менее оптически плотную среду (т.е. ). В таком случае угол преломления больше угла падения. Предельный угол полного внутреннего отражения – это угол падения луча, при котором угол преломления равен 90 градусов, т.е. свет скользит по границе раздела двух сред. При дальнейшем увеличении угла падения свет во вторую среду не попадает, т.е. происходит полное внутреннее отражение.

2.3.Полное внутреннее отражение применяется при создании эндоскопов. Для этого применяют специальные волокна – световоды, у которых внутренняя часть имеет больший показатель преломления, чем оболочка. По этим световодам свет, подвергаясь многократно полному внутреннему отражению, без потери интенсивности достигает внутренних полостей.Также явление полного внутреннего отражения лежит в основе принципа работы рефрактометра – прибора для определения концентрации растворов по показателю их преломления.

3.На рис. 3 представлены два вида линз.

3.1.Собирающая линза падающий на неё пучок параллельных лучей

собирает в одну точку на главной оптической оси, которая называется

фокусом. Собирающая линза имеет два фокуса.

Рассеивающая линза падающий на неё пучок параллельных лучей

рассеивает. Продолжения этих лучей собираются в переднем,

единственном фокусе линзы.

3.2.Дайте определения понятиям:

- главная оптическая ось линзы – линия, соединяющая центры

сфер, ограничивающих её поверхность.

- фокус линзы- точка на главной оптической оси, в которую

собираются лучи после преломления в линзе.

- фокусное расстояние ( ) – расстояние от оптического центра линзы до фокуса.

- оптическая сила линзы - величина, обратная фокусному расстоянию линзы: .

3.3. Оптическая сила линзы показывает, насколько сильно линза преломляет свет. Она зависит от показателя преломления линзы ( ), показателя преломления среды, в которой находится линза, ( ) и от радиусов сферических поверхностей, ограничивающих линзу ( ): .

4. Решите задачи:

4.1. Найдите оптическую силу линзы с фокусным расстоянием 20 см.

4.2. Найдите фокусное расстояние линзы с оптической силой 2 диоптрия.

5. На рис.4 представлены схемы, показывающие возможные аберрации линз.

5.1. Аберрации – это дефекты линз, которые могут исказить формируемое с помощью линзы изображение.

5.2.

6.1., 6.2.

6.3. Чтобы найти общее увеличение микроскопа, необходимо увеличение объектива умножить на увеличение окуляра (обычно оно составляет около 1500). Однако из дифракции света увеличение свыше 700 раз не даёт никакой дополнительной информации о структуре объекта. Полезное увеличение – это увеличение, при котором наблюдается максимальная разрешающая способность микроскопа (около 500-700).

6.4. Разрешающая способность микроскопа – это способность давать чёткое изображение микроскопируемого объекта. Предел разрешения – это минимальное расстояние между точками, при котором они видны раздельно. Чем меньше предел разрешения, тем больше разрешающая способность. Предел разрешения зависит от длины волны света , которым освещают объект, от показателя преломления среды , в котором размещён объект, и апертурного угла микроскопа : . Увеличить разрешающую способность микроскопа можно, уменьшив длину волны сета, освещающего объект (например, освещение ультрафиолетом) или увеличив показатель преломления среды, в котором находится объект (например, иммерсия в кедровом масле).

6.5.Согласно гипотезе де Бройля, каждая микрочастица при своём движении представляет собой волну. Длина волны электрона в электронном микроскопе рассчитывается по уравнению де Бройля: где постоянная Планка, масса электрона, его скорость. Подставив в уравнение эти величины, получают длину волны электрона, находящуюся в пределах длин волн рентгеновского излучения. Т.е. у электронов длина волны меньше, чем у видимого света. Поэтому предел разрешения электронного микроскопа меньше, чем у светового, а разрешающая способность – гораздо больше.

7.На рис. 6 представлена графически электромагнитная волна.

7.1. В электромагнитной волне происходят колебания векторов напряжённости электрического поля и напряжённости магнитного поля по гармоническому закону во взаимно перпендикулярных плоскостях: , где амплитудные значения напряжённостей электрического и магнитного полей, циклическая частота колебаний, время, прошедшее от начала колебаний, расстояние от источника волны, скорость света в вакууме.

7.2. Свет отличается от других электромагнитных волн длиной волны (частотой). На рисунке представлена шкала электромагнитных волн. Принцип построения шкалы – уменьшение длины волны электромагнитных волн (увеличение частоты).

7.3.Дифракция - огибание волной препятствий, у которых размер меньше длины волны, или отклонение от прямолинейного распространения при прохождении через узкие (меньше длины волны) щели.

Интерференция – формирование устойчивой интерференционной картины (чередования областей максимумов и минимумов освещённости) при наложении друг на друга когерентных (с одинаковой частотой, имеющих постоянную разность фаз) волн.

Поляризация – признак поперечной волны. Формирование волн, колебания величины которой происходит преимущественно в одной плоскости.

7.4. Свет является поперечной волной. Это доказывает поляризации света.

8.На рис. 8а представлена схема поляриметра, а на рис. 8б – схема явления, которое используется в работе данного прибора.

8.1. Прибор предназначен для определения концентрации оптически активных ве -

ществ в растворе.

8.2. Плоскополяризованный свет – это свет, в котором колебания вектора напряжённости электрического поля осуществляются преимущественно в одной плоскости. Естественный свет – это свет, в котором колебания вектора напряжённости осуществляются во всевозможных плоскостях, которые можно провести через источник света.

8.3. Оптически активные вещества – это вещества, способные вращать плоскость поляризации поляризованного света (например, аминокислоты, сахара, никотин и т.д.). Бывают правовращающие и левовращающие изомеры оптически активных веществ: и формы.

8.4. Поляризатор и анализатор представляют собой кристаллы, которые могут пропускать свет преимущественно в одной плоскости. Если их оптические оси расположить параллельно, то свет, поляризованный поляризатором, пройдёт без изменения интенсивности через анализатор. Если скрестить оптические оси поляризатора и анализатора перпендикулярно, то поляризованный поляризатором свет не пройдёт через анализатор. При поляриметрии измеряют угол, на который отклоняет раствор с оптически активным веществом плоскость поляризации света (после прохождения поляризованного света через раствор поворачивают анализатор на определённый угол, пока поле зрения в окуляре не станет светлым). , где угол, на который раствор повернул поляризованный свет, концентрация оптически активного вещества, удельное вращение, табличная величина для раствора данного вещества единичной концентрации, толщина кюветы с раствором.

9.Рассмотрите рис. 9 а, на котором представлено внутреннее строение глаза человека, и рис. 9 б, на котором изображён редуцированный глаз.

9.1. 1 – белковая оболочка глаза, 2 – роговица, 3 – радужка, 4 – зрачок, 5 – хрусталик, 7 – стекловидное тело, 8 – сосудистая оболочка глаза, 9 – сетчатка, 10 – зрительный нерв, 11 – слепое пятно, 12 – жёлтое пятно. Свет преломляется роговицей, жидкостью передней камеры глаза, хрусталиком, стекловидным телом.

9.2. В редуцированном глазе 4 преломляющие поверхности глаза представлены одной. На расстоянии 16, 7 мм от глаза находится узловая точка, через которую лучи от объекта проходят без преломления. С помощью редуцированного глаза – упрощённой модели реального глаза мы получаем действительное, уменьшенное, перевёрнутое изображение объекта.

9.3. Хрусталик в глазе служит для аккомодации.

10. Рис. 10 разделён пунктирной линией на две части. На одной из них представлена схема глаза в состоянии аккомодации, на другой – в неаккомодированном состоянии.

10.1. Аккомодация – это приспособление глаза для видения объектов, расположенных на различном расстоянии от глаза.

10.2. Аккомодация осуществляется за счёт увеличения кривизны хрусталика. Это происходит при напряжении цилиарной мышцы. Чем больше напряжена мышца, тем более выпуклым является хрусталик, тем больше его оптическая сила и сильнее преломляется свет

10.3. Покой аккомодации наблюдается, если взгляд направлен в бесконечность. Это и есть дальняя точка глаза. В этом случае цилиарные мышцы полностью расслаблены, хрусталик имеет наиболее плоскую форму, оптическая сила глаза наименьшая (около 59 Диоптрий). Покою аккомодации соответствует нижняя часть рисунка.

10.4. Если объект расположен в ближней точке глаза, то цилиарные мышцы максимально напряжены, хрусталик имеет наиболее выпуклую форму, оптическая сила глаза максимальна (около 73 диоптрий). Для молодых людей ближняя точка глаза расположена на расстоянии около 7 см. Состояние хрусталика при аккомодации в ближнюю точку показано на верхней части рисунка.

10.5.Расстояние наилучшего зрения составляет около 25 см. При расположении в ней объекта чётко видны все его детали при средней степени напряжения цилиарной мышцы. Поэтому при длительной работе не наступает утомление глаз.

11. На рис. 11 представлены типы рефракции глаза.

11.1.Изображена эмметропия, т.е. нормальная рефракция. Для неё характерно, что в покое аккомодации параллельный пучок света фокусируется на сетчатке. Очковые линза при эмметропии не требуются.

11.2. Изображена миопия (близорукость): в покое аккомодации параллельный пучок света проецируется перед сетчаткой. Причины: слишком сильная преломляющая способность оптических поверхностей глаза или анатомически удлинённое глазное яблоко.

11.3. Для коррекции нужны рассеивающие линзы (способ А). Рассеивающая линза увеличивает фокусное расстояние глаза, и параллельный пучок света попадёт на сетчатку.

11.4. Изображена гиперметропия (дальнозоркость): в покое аккомодации параллельный пучок света проецируется за сетчаткой. Причины: слишком слабая преломляющая способность оптических поверхностей глаза или анатомически укороченное глазное яблоко.

11.5. Для коррекции нужны собирающие линзы (способ Б). Собирающая линза уменьшит фокусное расстояние глаза, и параллельный пучок света попадёт на сетчатку.

11.6. Не отображён астигматизм – дефект, связанный с неодинаковым преломлением в различный плоскостях глаза (например, в вертикальной и горизонтальной). Для его коррекции применяет цилиндрические линзы.

12. На рис. 12 представлены графики, отражающие зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела от длины волны излучения при различных значениях температуры тела.

12.1.Тепловое излучение – это электромагнитные волны, которые излучаются атомами и молекулами за счёт энергии их теплового движения. Оно характерно для всех тел, температура которых выше абсолютного нуля.

12.2.Спектральная плотность энергетической светимости – это отношение энергии, излучаемой единицей площади тела за единицу времени в определённом диапазоне длин волн к ширине этого диапазона. Измеряется в Ватт/м³.

12.3. Способность тела поглощать тепловое излучение характеризует коэффициент поглощения – отношение потока поглощённого теплового излучения к поток попавшего на тело теплового излучения. Абсолютно чёрное тело – это тело, которое полностью поглощает попавшее на него тепловое излучение, коэффициент поглощения его равен 1.

12.4. На графике представлены: 1. Закон Стефана-Больцмана – энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна термодинамической температуре в 4 степени: . Доказательство на графике – увеличение площади криволинейной трапеции, ограниченной графиком функции, перпендикулярами от его начала и конца к оси абсцисс и осью абсцисс, при увеличении температуры тела. 2. Закон смещения Вина – длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела обратно пропорциональна его термодинамической температуре: Доказательство на графике–смещение максимума функций в более коротковолновую область при увеличении температуры тела.

12.5. Тело человека является источником теплового излучения. Функциональное значение состоит в том, что в обычных условиях тепловое излучения – основной способ теплоотдачи у человека.

13. Рис. 13 является иллюстрацией к законам, которые касаются явления, используемого в макро- и микроанализе веществ.

13.1.Люминесценция – это электромагнитное излучение в видимом диапазоне длин волн, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела, длительность которого превышает период световых волн.

13.2.Люминесценция может возникать при действии: 1. ультрафиолетового излучения (фотолюминисценция, применяется в микро- и макроанализе структуры и состава вещества), 2. рентгеновского излучения (рентгенолюминесценция, применяется в рентгенодиагностике), 3. радиоактивных излучений (радиолюминесценция, применяется для визуализации радиоактивных излучений в радиологии и т.д.), 4. электрического поля (электролюминисценция, применяется в осветительной аппаратуре), 5. ускоренного пучка электронов (катодолюминесценция, применяется в экранах электронно-лучевых приборов) и т.д.

13.3.Потому что переход атома из возбуждённого состояния в основное происходит спонтанно (самопроизвольно).

13.4. Бывает: короткое свечение (флюорисценция) и длительное свечение (фосфорисценция).

13.5. Закон Стокса отражает левый рисунок: длина волны люминесцентного излучения больше длины волны, вызвавшего её света.

13.6. Закон Вавилова устанавливает связь между энергетическим выходом люминесценции и длиной волны, вызвавшего её сета. Энергетический выход люминесценции – это отношение энергии, излучённой в ходе люминесценции, к энергии , затраченной на возникновение люминесценции : . Форма кривой показывает, что при слишком малых длинах волн света, вызывающего люминесценцию, она не возникает (атомы люминофора не поглощают такие кванты света), при определённых длинах волн света возникает люминесценция, энергетический выход которой сначала увеличивается до максимума, а потом резко падает до 0 (энергии квантов света не достаточно для вызова люминесценции).

14.На рис. 14 схематично показано устройство прибора для получения лазерного излучения.

14.1.Потому что в атомах переходы из возбуждённого состояния в основное происходят вынужденно (несамопроизвольно, а под действием квантов света).

14.2. Инверсная заселённость энергетических уровней в веществе – это его состояние, в котором число возбуждённых атомов значительно превышает число атомов, находящихся в невозбуждённом состоянии. Она реализована в активной среде лазера.

14.3.Система накачки – это источник энергии, который приводит активную среду в состояние с инверсной заселённостью энергетических уровней. Оптический резонатор – система из двух зеркал, которая отражает образующиеся в активной среде фотоны, обеспечивая их многократное прохождение через активную среду, тем самым увеличивая число фотонов и способствуя образованию мощного пучка сета (лазерного излучения).

14.4.Лазерное излучение монохроматично, когерентно, поляризовано. Его интенсивность может быть очень высокой. Применяется в лазерной хирургии (лазерный скальпель и др. инструменты. Особенно широко – в офтальмологии для лечения различных глазных болезней), в косметологии (шлифовка лица, эпиляция, удаление родинок, папиллом, бородавок и т.д.), реже – в терапии и диагностике.

15.На рис. 15 представлена схема прибора, предназначенного для радиоспектроскопии веществ.

15.1.Электронный парамагнитный резонанс – это явления избирательного (резонансного) поглощения атомами парамагнетиков, находящихся в постоянном магнитном поле, энергии электромагнитных волн.

15.2.Ядерный магнитный резонанс – это явления избирательного (резонансного) поглощения атомами, ядра которых имеют магнитный момент и находящихся в постоянном магнитном поле, энергии электромагнитных волн.

15.3.В магнитном поле происходит эффект Зеемана – у парамагнетиков энергетические уровни неспаренных электронов расщепляются на подуровни, а у ядер – происходит расщепление энергетических уровней нейтронов и протонов на подуровни.

15.4. Потому что электромагнитные волны, которые поглощаются при электронном парамагнитном и ядерном магнитном резонансе, относятся по частоте (длине волны) к радиоволнам.