71734

Основы использования поляризованного света в медико-биологических исследованиях

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Познакомиться со способами получения поляризованного света. Какова природа света Чем естественный свет отличается от поляризованного Укажите способы получения поляризованного света. Что общего и в чем отличие в получении поляризованного света после прохождения призмы Николя...

Русский

2014-11-11

148.5 KB

4 чел.

230

V. Оптика. Ядерная физика

Лабораторная работа №23

Основы использования поляризованного света в

медико-биологических исследованиях

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

  1.  Научиться определять концентрацию сахара в растворе.
  2.  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?

Опишите метод поляризационной микроскопии, применяемой для исследования биологических тканей.

  1.  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.

  1.  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;

Тф - 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.

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.

  1.  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.

  1.  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 Iо. Поскольку сила фототока  i  I, то:

ip = 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

  1.  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 = / .

 

Вопросы выходного контроля

  1.  Каким образом в лабораторной работе осуществляется проверка закона Малюса?
  2.  Как в лабораторной работе оценивается поворот плоскости поляризации оптически активным веществом?
  3.  На чем основана в лабораторной работе количественная оценка интенсивности света, прошедшего через анализатор?
  4.  Почему изменяется интенсивность луча, прошедшего через поляризатор, после его отражения?

5.При выполнении какого условия интенсивность прошедшего через поляризатор отраженного луча будет максимальна и минимальна?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81545. Токсичность кислорода: образование активных форм кислорода (супероксид анион, перекись водорода, гидроксильный радикал) 132.6 KB
  К активным формам кислорода относят: ОН гидроксильный радикал; супероксидный анион; Н2О2 пероксид водорода. Активные формы кислорода образуются во многих клетках в результате последовательного одноэлектронного присоединения 4 электронов к 1 молекуле кислорода. Конечный продукт этих реакций вода но по ходу реакций образуются химически активные формы кислорода.
81546. Повреждение мембран в результате перекисного окисления липидов. Механизмы защиты от токсического действия кислорода: неферментативные (витамины Е, С, глутатион и др.) и ферментативные (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) 114.75 KB
  Активация перекисного окисления характерна для многих заболеваний: дистрофии мышц болезнь Дюшенна болезни Паркинсона при которых ПОЛ разрушает нервные клетки в стволовой части мозга при атеросклерозе развитии опухолей. Изменение структуры тканей в результате ПОЛ можно наблюдать на коже: с возрастом увеличивается количество пигментных пятен на коже особенно на дорсальной поверхности ладоней. Этот пигмент называют липофусцин представляющий собой смесь липидов и белков связанных между собой поперечными ковалентными связями и...
81547. Биотрансформация лекарственных веществ. Влияние лекарств на ферменты, участвующие в обезвреживании ксенобиотиков 105.66 KB
  Гидрофобные соединения легко проникают через мембраны простой диффузией в то время как лекарственные вещества нерастворимые в липидах проникают через мембраны путём трансмембранного переноса при участии разных типов транслоказ. Следующие этапы метаболизма лекарственного вещества в организме тоже определяются его химическим строением гидрофобные молекулы перемещаются по крови в комплексе с альбумином кислым агликопротеином или в составе липопротеинов. В зависимости от структуры лекарственное вещество может поступать из крови в клетку...
81548. Основы химического канцерогенеза. Представление о некоторых химических канцерогенах: полициклические ароматические углеводороды, ароматические амины, диоксиды, митоксины, нитрозамины 135.77 KB
  В покоящихся клетках ДНК двухспиральна и азотистые основания защищены от воздействия повреждающих агентов. Первичные или вторичные эпоксиды обладая высокой реакционной способностью могут взаимодействовать с нуклеофильными группами в молекуле ДНК. Метаболизм нитрозаминов микросомальной системой окисления приводит к образованию иона метилдиазония который способен метилировать ДНК клеток индуцируя возникновение злокачественных опухолей лёгких желудка пищевода печени и почек Основным продуктом взаимодействия нитрозаминов с ДНК клетки...
81549. Особенности развития, строения и метаболизма эритроцитов 107.69 KB
  Эритроциты - высокоспециализированные клетки, которые переносят кислород от лёгких к тканям и диоксид углерода, образующийся при метаболизме, из тканей к альвеолам лёгких. Транспорт О2 и СО2 в этих клетках осуществляет гемоглобин, составляющий 95% их сухого остатка. Организм взрослого человека содержит около
81550. Транспорт кислорода и диоксида углерода кровью. Гемоглобин плода (HbF) и его физиологическое значение 152.69 KB
  Поэтому в легочных капиллярах происходит насыщение крови кислородом а в тканевых капиллярах где парциальное давление кислорода резко снижено осуществляется отдача кислорода тканям. Содержание гемоглобина в крови здорового человека составляет...
81551. Полиморфные формы гемоглобинов человека. Гемоглобинопатии. Анемические гипоксии 135.14 KB
  Гемоглобинопатии. Анемические гипоксии Гемоглобины взрослого человека В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90 от всех белков данной клетки. Гемоглобин А основной гемоглобин взрослого организма составляет около 98 от общего количества гемоглобина тетрамер состоит из 2 полипептидных цепей α и 2 β 2α2β.
81552. Биосинтез гема и его регуляция. Нарушения синтеза тема. Порфирии 175.5 KB
  Нарушения синтеза тема. В костном мозге гем необходим для синтеза гемоглобина в ретикулоцитах в гепатоцитах для образования цитохрома Р450. Первая реакция синтеза гема образование 5аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинилКоА идёт в матриксе митохондрий где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции сукцинилКоА. В цитоплазме проходят промежуточные этапы синтеза гема: соединение 2 молекул 5аминолевулиновой кислоты в молекулу порфобилиногена дезаминирование порфобилиногена с образованием гидроксиметилбилана...
81553. Распад гема. Обезвреживание билирубина. Нарушения обмена билирубина—желтухи: гемолитическая, обтурационная, печеночно-клеточная. Желтуха новорожденных 167.22 KB
  Обезвреживание билирубина. Нарушения обмена билирубина желтухи: гемолитическая обтурационная печеночноклеточная. Биливердин восстанавливается до билирубина NDPHзависимым ферментом биливердинредуктазой. При распаде 1 г гемоглобина образуется 35 мг билирубина а в сутки у взрослого человека примерно 250350 мг билирубина.