Çözünürlük. Optik cihazların çözünürlüğü

Ansiklopedik Sözlükte Çözünürlük:
Çözünürlük - optik aletler - birbirine yakın bir nesnenin iki noktasının ayrı görüntülerini verme yeteneklerini karakterize eder Işığın kırınımı nedeniyle, bir noktanın görüntüsü bir dairedir (halkalarla çevrili parlak bir nokta). Görüntülerinin birleştiği iki nokta arasındaki en küçük doğrusal veya açısal mesafeye doğrusal veya açısal çözünürlük sınırı denir. Çözünürlüğün karşılığı genellikle nicel bir ölçüdür. Bir cihazın çözünürlüğü, donanım işlevinden tahmin edilebilir.

TSB'nin "Çözüm" tanımı:
Çözünürlük - Çözünürlük (çözünürlük)
optik cihazlar, bu cihazların birbirine yakın bir nesnenin iki noktasının ayrı görüntülerini verme yeteneğini karakterize eder. Görüntülerinin birleştiği iki nokta arasındaki en küçük doğrusal veya açısal mesafeye doğrusal veya açısal çözünürlük sınırı denir. Buna karşılık gelen değer, genellikle sayfa R'nin nicel bir ölçüsü olarak hizmet eder. Optik parçaların kenarlarındaki ışığın kırınımı nedeniyle, ideal bir optik sistemde bile (yani, sapmasız; bkz. halkalarla çevrili nokta (tek renkli ışıkta dönüşümlü olarak koyu ve açık, yanardöner renkli - beyaz ışıkta).
Kırınım teorisi, alıcının (göz, fotoğraf katmanı) görüntüleri ayrı ayrı hangi aydınlatma dağılımlarında algıladığı biliniyorsa, sistemin izin verdiği en küçük mesafeyi hesaplamayı mümkün kılar. Rayleigh'e (1879) göre, aynı parlaklığa sahip iki noktanın görüntüleri, her birinin kırınım noktasının merkezi diğerinin 1. karanlık halkasının kenarı ile kesişiyorsa, yine de ayrı ayrı görülebilir (Şek.). Tutarsız ışınlar yayan kendinden ışıklı noktalar söz konusu olduğunda, bu Rayleigh kriteri karşılandığında, çözülmüş noktaların görüntüleri arasındaki en küçük aydınlatma, maksimum değerinin %74'ü ve kırınım noktalarının merkezleri arasındaki açısal mesafe (aydınlık maksimum değeri) olacaktır. )
Δφ \u003d 1.21 λID, burada λ ışığın uzunluğu, D optik sistemin giriş gözbebeğinin çapıdır (bkz. Optikte Açıklık). ƒ optik sistemin odak uzaklığı ise, Rayleigh çözünürlük limitinin lineer değeri σ = 1,21 λflD'dir.
Teleskopların ve tespit dürbünlerinin çözünürlük limiti, insan gözünün maksimum hassasiyetine karşılık gelen λ ≅ 560 nm dalga boyu için ark saniye cinsinden ifade edilir (bkz. Teleskop çözünürlüğü), α "= 140 / D'dir (mm cinsinden D) .
Fotoğraf lensleri için R. s. genellikle standart bir test nesnesinin (Mira'ya bakın) 1 mm görüntüsü başına ayrı ayrı görülebilen çizgilerin maksimum sayısı olarak tanımlanır ve N = 1470ε formülüyle hesaplanır; burada
ε - Bağıl lens açıklığı Yukarıdaki ilişkiler sadece ideal bir optik sistemin ekseni üzerinde bulunan noktalar için geçerlidir. Sapmaların ve üretim hatalarının varlığı, kırınım noktalarının boyutunu artırır ve R. s'yi azaltır. ayrıca görüş alanının merkezinden uzaklaştıkça azalan gerçek sistemler. R.s. R. s ile bir optik sistem içeren optik cihaz R op. R s ile R oc ve bir ışık alıcısı (fotokatman, elektron-optik dönüştürücünün katodu, vb.). R p, yaklaşık formül 1 / R op \u003d 1 / R oc + 1 / R p ile belirlenir, bundan yalnızca R oc ve R p'nin değerler olduğu kombinasyonların kullanılması tavsiye edilir. aynı sırayla.
R.s. enstrüman, görüntü kalitesini etkileyen tüm faktörleri (kırınım, sapmalar, vb.) yansıtan donanım işlevi ile değerlendirilebilir. R. sayfasına göre görüntü kalitesi değerlendirmesiyle birlikte. frekans-karşıtlık özelliğini kullanan tahmin yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. hakkında spektral aletler, bkz. Art. Spektral aletler.
Kaynak: Tudorovskiy A.I., Optik cihazlar teorisi, 2. baskı, Bölüm 1, M. - L., 1948; Landsberg G.S., Optics, 4. baskı, M., 1957 (Genel fizik dersi, cilt 3); Volosov D.S., Fotoğraf optiği, M., 1971.
L. N. Kaporsky.
21/2103673.tif
Aydınlatma maksimumları arasındaki Δφ açısal mesafesi, merkezi kırınım noktasının yarıçapının Δθ açısal değerine eşit olacak şekilde düzenlenmiş iki nokta ışığın görüntüsündeki aydınlatma dağılımı E
(Δφ = Δθ - Rayleigh koşulu). Bir fotoğraf sisteminin çözünürlüğü, bir nesnenin ince ayrıntılarını ayrı ayrı yeniden üretme yeteneğini karakterize eder; normal tek boyutlu bir kafesin vuruş sıklığının en yüksek değeri ile belirlenir - fotoğraf görüntüsündeki bu vuruşların hala ayırt edilebildiği (birleşmeyen) dünyalar. R.s. resolvometrelerle ölçülür ve genellikle mm -1 cinsinden ifade edilir, yani 1 mm'deki satır sayısı. Çeşitli modern fotoğraf malzemeleri için R. s. çoğunlukla 70–300 mm–1 arasındadır ve holografide kullanılan özel malzemeler için 2000 mm–1 veya daha fazla olabilir.
R. s'nin fiziksel doğası. R.'nin sayfanın sonluluğuyla bağlantılıdır. optik sistemler ve fotoğraf malzemelerinin emülsiyon katmanlarının optik kalınlığının önemi ile (jelatinde asılı 10 8 -10 10 cm³ konsantrasyonda yüksek oranda dağılmış - 0.1-3 mikron - mikro gümüş halojenür kristallerinden oluşur). Bu, jelatin ve halojenür gümüşün kırılma indekslerinde büyük bir farkla birlikte, optik radyasyonun lens tarafından katman üzerinde oluşturulan optik görüntünün sınırlarının ötesine yayılması nedeniyle foto katmandaki güçlü ışık saçılmasından sorumludur. Böylece fotoğrafik görüntünün öğelerinin sınırları
optik görüntüye kıyasla bulanık. Ayrıca, R. ile. gümüş mikro kristaller arasındaki yolda jelatin içindeki ışığın emilimini ve ikincisinin ışığa duyarlılığındaki farkı etkiler. R.s. pozlamaya bağlıdır - fotoğraf malzemesinin karakteristik eğrisinin doğrusal bölümünün alt ve orta kısımları için maksimumdur (ayrıca bkz. Sensitometri). R.'nin bağımlılığı. fotoğraf katmanındaki ızgaranın fotoğraf görüntüsünün kontrastı, R k \u003d R max √K formülü ile ifade edilebilir, burada R max - R. s. K = 1 için, K = (E maks - E min)/(E maks + E min); E max ve E min - açık ve koyu çizgili görüntülerin aydınlatılması. R.s. geliştiricinin türüne ve koşullara çok az bağlı

A ekranı ile onu aydınlatan ışık kaynağı arasına delikli başka bir B ekranı yerleştirilirse, A ekranında bir gölgeyle sınırlı parlak bir nokta görünecektir (Şek. 319, a ve b). Gölge sınırı, ışığın düz bir çizgide yayıldığı, yani ışık ışınlarının düz çizgiler olduğu varsayılarak geometrik olarak bulunabilir (bkz. Şekil 319, a). Ancak daha yakından bakıldığında, gölge sınırının keskin olmadığı görülür; bu, özellikle delik boyutunun mesafeye göre çok küçük olduğu durumlarda fark edilir.

ekran yukarı delik

Daha sonra A ekranı üzerindeki nokta, birbirini izleyen açık ve koyu renkli halkalardan oluşuyormuş gibi görünür, yavaş yavaş birbirine döner ve aynı zamanda geometrik gölge bölgesini de yakalar (Şekil 320, b). Bu, B deliğinin kenarlarında ışık ışınlarının (dalgaların) bükülmesi hakkında kaynaktan gelen ışığın yayılmasının dolaylı olduğunu gösterir (Şekil 320, a). Işığın bir engelin yakınında (bir engelin etrafına bir ışık huzmesi sarmalayan) doğrusal olmayan yayılma olgusuna ışık kırınımı denir ve ekranda elde edilen resme kırınım denir. Beyaz ışık kullanıldığında, kırınım deseni yanardöner hale gelir.

Kırınımın yalnızca ışık dalgalarının değil, genel olarak tüm dalgaların özelliği olduğunu hatırlıyoruz (bkz. § 34).

Ekranlardaki deliklere ek olarak, ışığın yayılma yoluna yerleştirilen opak nesneler (engeller) de kırınıma neden olur, sadece nesnenin boyutunun kırınım deseninin olduğu yere olan mesafeye göre küçük olması gerekir. gözlemlendi. Şek. Şekil 321, yuvarlak bir delik a, dikdörtgen bir yarık, bir tel b ve bir vida tarafından verilen tipik kırınım modellerinin fotoğraflarını gösterir.

Işık yayılma yolunda ışığın dalga boyu mertebesinde bir boyutta çok küçük engellerin olduğu durumlarda belirgin kırınım desenleri elde edilir. Bununla birlikte, oldukça yaygın bir görüşün aksine, engelin boyutunun ışığın dalga boyu ile karşılaştırılabilmesinin kırınım gözlemlemek için gerekli bir koşul olmadığı vurgulanmalıdır.

Kırınım desenleri genellikle doğal koşullarda ortaya çıkar. Bu nedenle, örneğin, bir ışık kaynağını çevreleyen, siste veya buğulanmış bir pencere camından gözlemlenen renkli halkalar, ışığın küçük su damlacıkları üzerindeki kırınımından kaynaklanır.

Kırınım, ışığın dalga özelliklerini ortaya koyar ve bu nedenle Huygens-Fresnel ilkesi temelinde aşağıdaki gibi açıklanabilir. Kaynaktan gelen ışığın B perdesindeki yuvarlak bir delikten A perdesine düşmesine izin verin (Şek. 322). Huygens-Fresnel prensibine göre ışık dalgasının (deliği dolduran) cephe kısmının her noktası ikincil bir ışık kaynağıdır.

Bu kaynaklar tutarlıdır, bu nedenle bunlardan gelen ışınlar (dalgalar) 1 ve 2, 3 ve 4 vb. Birbirlerini engelleyecektir. Ekrandaki ışınların izlediği yoldaki farkın büyüklüğüne bağlı olarak, noktalarda aydınlatmanın maksimum ve minimum değerleri görünecektir. Böylece A ekranında, geometrik gölge alanında parlak alanlar ve bu alanın dışında karanlık alanlar görünecek ve daha önce açıklanan (halka şeklinde) kırınım modelini oluşturacaktır.

Işığın kırınımı, optik aletlerin çözünürlüğünü, yani bu aletlerin bir nesnenin küçük, yakın aralıklı parçalarının (noktalarının) ayrı görüntülerini verme yeteneğini belirler. Herhangi bir optik cihazın merceğinin mutlaka bir girişi vardır. Merceğin giriş deliğindeki ışığın kırınımı, kaçınılmaz olarak, gözlemlenen nesnenin (kendinden aydınlatmalı veya aydınlatılmış) ayrı noktalarının görüntülerinin artık noktalar değil, koyu ve açık halkalarla çevrelenmiş parlak diskler olmasına yol açar. . Nesnenin dikkate alınan noktaları (detayları) birbirine yakınsa, kırınım görüntüleri (merceğin odak düzleminde) aşağı yukarı karşılıklı olarak üst üste gelebilir (Şekil 323, a).

Kırınım görüntülerinin parlak diskleri, diskin yarıçapından daha fazla karşılıklı olarak örtüşmüyorsa, nesnenin iki yakın noktası 1 ve 2, yine de ayrı ayrı görülebilir (Şekil 323, b). Diskler bir yarıçaptan daha fazla üst üste binerse (Şekil 323, c), o zaman noktaların ayrı ayrı görülmesi imkansız hale gelir; cihaz artık ayrılmıyor veya dedikleri gibi bu tür noktaları çözmüyor.

Bir nesnenin iki noktasının hala ayrı ayrı görülebildiği en küçük mesafeye çözülebilir mesafe denir. Bir optik cihazın çözünürlüğü genellikle çözülebilir mesafenin tersi ile ölçülür.

Hesaplamalar, bir mikroskop için çözülebilir mesafenin formülle ifade edildiğini göstermektedir.

X, ışığın dalga boyu, nesne ile mercek arasındaki ortamın kırılma indisi ve açıklık açısı, yani merceğe giren ışık huzmesinin aşırı ışınlarının oluşturduğu açıdır (Şekil 324). Ürün sayısal açıklık olarak adlandırılır. santimetre).

Çözünürlük, bir mikroskobun yararlı büyütmesini sınırlar. 103 mertebesinde bir artışla, çözümlenen mesafe

Yeterince büyük bir görüntü karşılık gelir Açıkçası, incelenen konunun yapısında herhangi bir yeni ayrıntı ortaya çıkarmayacağından, daha yüksek bir büyütme (yani daha büyük bir görüntü) elde etmenin bir anlamı yoktur.

Spesifiklikleri ve amaçları ne olursa olsun, mutlaka "çözünürlük" adı verilen ortak bir fiziksel özelliğe sahiptirler. Bu fiziksel özellik, istisnasız herkes için belirleyicidir, optik ve örneğin bir mikroskop için, en önemli parametre yalnızca merceklerinin büyütme gücü değil, aynı zamanda incelenen nesnenin görüntü kalitesinin üzerinde olduğu çözünürlüktür. doğrudan bağlıdır. Bu cihazın tasarımı, en küçük detayların ayrı bir algısını sağlayamıyorsa, ortaya çıkan görüntü, önemli bir artışla bile kalitesiz olacaktır.

Optik cihazların çözünürlüğü, gözlemlenen veya ölçülen nesnelerin en küçük bireysel ayrıntılarını ayırt etme yeteneklerini karakterize eden bir değerdir. Çözünürlük sınırı, bir nesnenin bitişik parçaları (noktaları) arasındaki, görüntülerinin artık nesnenin ayrı ayrı öğeleri olarak algılanmadığı ve bir araya geldiği minimum mesafedir. Bu mesafe ne kadar küçük olursa, sırasıyla cihazın çözünürlüğü o kadar yüksek olur.

Çözünürlük sınırının tersi, bir çözünürlük ölçüsü olarak hizmet eder. Bu en önemli parametre, cihazın kalitesini ve buna bağlı olarak fiyatını belirler. Işık dalgalarının kırınım özelliği nedeniyle, bir nesnenin küçük öğelerinin tüm görüntüleri, eşmerkezli girişim daireleri sistemiyle çevrili parlak noktalar gibi görünür. Herhangi bir optik aletin çözünürlüğünü sınırlayan bu olgudur.

19. yüzyıl İngiliz fizikçisi Rayleigh'in teorisine göre, bir nesnenin iki yakın küçük öğesinin görüntüsü, kırınım maksimumları çakışırsa, yine de ayırt edilebilir. Ancak bu çözünürlüğün bile sınırları vardır. Nesnelerin bu en küçük detayları arasındaki mesafe ile belirlenir. genellikle görüntünün milimetresi başına maksimum ayrı olarak algılanan çizgi sayısıyla tanımlanır. Bu gerçek ampirik olarak kurulmuştur.

Cihazların çözünürlüğü, sapmaların (ışık ışınının belirli bir yönden sapmaları) ve optik sistemlerin imalatında kırınım noktalarının boyutlarını artıran çeşitli hataların varlığında azalır. Bu nedenle, kırınım noktalarının boyutu ne kadar küçük olursa, herhangi bir optiğin çözünürlüğü o kadar yüksek olur. Bu önemli bir göstergedir.

Herhangi bir optik cihazın çözünürlüğü, bu cihazın sağladığı görüntünün kalitesini etkileyen tüm faktörleri yansıtan, donanım özelliklerine göre değerlendirilir. Bu tür etkileyen faktörler, elbette, her şeyden önce sapma ve kırınım - engellerin ışık dalgaları tarafından yuvarlanması ve sonuç olarak doğrusal bir yönden sapmalarını içermelidir. Çeşitli optik cihazların çözünürlüğünü belirlemek için, dünyalar adı verilen standart bir desene sahip özel şeffaf veya opak test plakaları kullanılır.

İdeal bir optik sistem (kusurları ve sapmaları olmayan) kullanılarak bile, ışığın dalga doğası ile açıklanan noktasal bir kaynağın lekeli bir görüntüsünü elde etmek imkansızdır. Tek renkli ışıkta herhangi bir parlak noktanın görüntüsü bir kırınım modelidir, yani bir nokta kaynağı, değişen koyu ve açık halkalarla çevrili merkezi bir parlak nokta olarak görüntülenir.

Buna göre Rayleigh kriteri, Bir kaynaktan (çizgi) kırınım modelinin merkezi maksimumu, bir kaynaktan (çizgi) kırınım modelinin ilk minimumu ile çakışıyorsa, yakın iki özdeş nokta kaynağının veya eşit yoğunluklara ve aynı simetrik konturlara sahip iki yakın spektral çizginin görüntüleri çözülebilir (algı için ayrılmış) başka (Şek. 265, a ). Rayleigh kriteri sağlandığında maksimumlar arasındaki “dip” şiddeti maksimumdaki yoğunluğun %80'i kadardır ve bu da  1 ve  2 çizgilerini çözmek için yeterlidir. Rayleigh kriteri ihlal edilirse, bir çizgi gözlenir (Şekil 265, b).

1. Merceğin çözünürlüğü. Lens iki uzak nokta kaynağından gelen ışığa maruz kalırsa S 1 ve S 2 (örn. yıldızlar) biraz açısal mesafe ile , daha sonra, odak düzleminde merceği sınırlayan diyaframın kenarlarındaki ışık dalgalarının kırınımı nedeniyle, iki nokta yerine, değişen koyu ve açık halkalarla çevrili maksimumlar gözlenir (Şekil 266). tek renkli ışıkta mercekte gözlemlenen iki yakın yıldızın, aralarındaki açısal mesafenin çözülebilir olduğunu kanıtladı

burada  ışığın dalga boyudur, D- mercek çapı.

Merceğin çözünürlüğü (çözümleme gücü) miktar denir

Nerede  - bir optik alet tarafından hala çözümlenebildikleri iki nokta arasındaki en küçük açısal mesafe.

Rayleigh kriterine göre, iki özdeş noktanın görüntüleri, bir nokta için kırınım modelinin merkezi maksimumu, diğeri için kırınım modelinin ilk minimumu ile çakıştığında çözülebilir (Şekil 266). Şekilden, Rayleigh kriteri sağlandığında açısal mesafenin  puanlar eşit olmalı , yani, dikkate alarak (183.1)

Bu nedenle merceğin çözme gücü

yani çapına ve ışığın dalga boyuna bağlıdır.

Formül (183.2)'den, optik aletlerin çözünürlüğünü artırmak için hedefin çapını artırmanın veya dalga boyunu azaltmanın gerekli olduğu görülebilir. Bu nedenle, bir nesnenin daha ince ayrıntılarını gözlemlemek için ultraviyole radyasyon kullanılır ve bu durumda ortaya çıkan görüntü, bir flüoresan ekran kullanılarak gözlemlenir veya bir fotoğraf plakasına sabitlenir. X-ışınlarının yardımıyla daha da büyük çözünürlük elde edilebilir, ancak yüksek bir nüfuz etme gücüne sahiptir ve kırılmadan maddeden geçer; bu nedenle, bu durumda kırıcı mercekler oluşturmak imkansızdır. Elektron akışları (belirli enerjilerde), X-ışınları ile yaklaşık olarak aynı dalga boyuna sahiptir. Bu nedenle elektron mikroskobu çok yüksek bir çözünürlüğe sahiptir.

Bir spektral aletin çözünürlüğü boyutsuz niceliktir.

Nerede  - Bu çizgilerin ayrı ayrı kaydedildiği iki bitişik spektral çizginin dalga boyları arasındaki minimum farkın mutlak değeri.

2. Kırınım ızgarasının çözünürlüğü. maksimum olsun T- dalga boyu sırası  2 bir açıda gözlenir , yani (180.3)'e göre, D günah =m 2 . Bir maksimumdan komşu bir minimuma geçerken, yol farkı şu şekilde değişir: /N(bkz (180.4)), burada N- kafes yuvalarının sayısı. Bu nedenle, bir açıda gözlemlenen minimum  1  min , koşulu karşılıyor D günah  dak = M 1 + 1 /N. Rayleigh kriterine göre,  = dakika , yani M 2 =m 1 + 1 /N veya  2 / ( 2 –  1)=mN. 1 ve  2 olarak vergi birbirine yakındır, yani  2 – 1 =  sonra, (183.3)'e göre,

Bu nedenle, kırınım ızgarasının çözünürlüğü siparişle orantılıdır. M spektrum ve sayı N yuvalar, yani belirli bir yuva sayısı için, siparişin büyük değerlerine geçişle artar M parazit yapmak. Modern kırınım ızgaraları oldukça yüksek bir çözünürlüğe sahiptir (210 5'e kadar).

Işık Dağılımı

Daha önce bahsedildiği gibi, bir üçgen prizmadan geçen ışık kırılır ve prizmadan çıkarken orijinal yönünden prizmanın tabanına sapar. Kirişin sapmasının büyüklüğü, prizmanın maddesinin kırılma indisine bağlıdır ve deneylerin gösterdiği gibi, kırılma indisi ışığın frekansına bağlıdır. Bir maddenin kırılma indisinin ışığın frekansına (dalga boyu) bağımlılığı denir. dağılım. Beyaz ışık bir prizmadan geçirildiğinde dağılma olgusunu gözlemlemek çok kolaydır (Şekil 102). Beyaz ışık prizmadan çıkarken yedi renge ayrışır: kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, çivit mavisi, mor. Kırmızı ışık en az, mor en çok saptırılır. Bu, camın mor ışık için en yüksek kırılma indisine ve kırmızı ışık için en düşük kırılma indisine sahip olduğunu göstermektedir. Farklı dalga boylarına sahip ışık, farklı hızlara sahip bir ortamda yayılır: n= c/v olduğundan, mor en düşük, kırmızı en yüksek,

Işığın şeffaf bir prizmadan geçmesinin bir sonucu olarak, optik aralığın tek renkli elektromanyetik dalgalarının düzenli bir düzenlemesi elde edilir - menzil.

Tüm spektrumlar spektrumlara ayrılır emisyonlar ve spektrum emilim. Emisyon spektrumu, parlak cisimler tarafından oluşturulur. Bir prizma üzerine gelen ışınların yoluna soğuk, yayılmayan bir gaz yerleştirilirse, kaynağın sürekli spektrumunun arka planında koyu çizgiler belirir.

Bu durumda, gazın absorpsiyon spektrumunu elde ederiz. Alman fizikçi G. Kirchhoff (1824-1887), sıcak halde cisimler tarafından yayılan ışığın spektral bileşiminin onlar tarafından soğuk halde emildiği yasayı keşfetti (belirli bir elementin atomları, bu dalga boylarını emer. yüksek sıcaklıkta yayar).

Emisyon spektrumları ayrılır katı, astarlı Ve çizgili. Akkor halindeki katılar ve sıvılar tarafından sürekli bir spektrum verilir. Bir çizgi spektrumu, belirli spektral çizgilerin bir koleksiyonudur (siyah bir arka plan üzerinde). Böyle bir spektrum, atomik durumdaki uyarılmış gazlar tarafından üretilir. Belirli bir kimyasal elementin izole edilmiş atomları kesin olarak tanımlanmış dalga boylarını yayar. Çizgili spektrum, karanlık boşluklarla ayrılmış bireysel spektral bantlardır. Çizgi spektrumlarından farklı olarak, çizgili spektrumlar atomlar tarafından değil, birbirine bağlanmamış veya zayıf bir şekilde bağlanmış moleküller tarafından üretilir.

IŞIK DAĞILIMI ELEKTRONİK TEORİSİ

Maxwell'in makroskopik elektromanyetik teorisinden, ortamın mutlak kırılma indisinin

 ortamın dielektrik sabitidir,  - manyetik geçirgenlik. Tüm maddeler için spektrumun optik bölgesinde  1, yani

Formül (186.1), deneyle bazı çelişkiler ortaya koyuyor: miktar N, bir değişken olarak, aynı zamanda belirli bir sabite eşit kalır . Ayrıca, değerler N Bu ifadeden elde edilen deneysel değerlerle uyuşmamaktadır. Işığın dağılımını Maxwell'in elektromanyetik teorisi açısından açıklamadaki zorluklar, Lorentz'in elektron teorisi ile ortadan kaldırılmıştır. Lorentz teorisinde, ışığın dağılması, elektromanyetik dalgaların, maddenin bir parçası olan ve dalganın alternatif elektromanyetik alanında zorunlu salınımlar gerçekleştiren yüklü parçacıklarla etkileşiminin bir sonucu olarak kabul edilir.

Işık dağılımının bağımlılığın bir sonucu olduğunu resmi olarak varsayarak, homojen bir dielektrik için ışık dağılımının elektronik teorisini uygulayalım.  frekanstan  ışık dalgaları. Bir maddenin geçirgenliği, tanımı gereği (bakınız (88.6) ve (88.2)),

Nerede { - ortamın dielektrik duyarlılığı,  0 - elektrik sabiti, R - polarizasyonun anlık değeri. Buradan,

onlar. bağlıdır R. Bu durumda, elektron polarizasyonu birincil öneme sahiptir, yani. dalga alanının elektrik bileşeninin etkisi altında elektronların zorunlu salınımları, çünkü moleküllerin yönelimli polarizasyonu için, bir ışık dalgasındaki salınımların frekansı çok yüksektir (  10 15Hz).

İlk yaklaşımda, zorunlu salınımların yalnızca dış, çekirdeğe en zayıf bağlı elektronlar tarafından gerçekleştirildiğini varsayabiliriz - optik elektronlar. Basit olması için, sadece bir optik elektronun salınımlarını ele alalım. Zorlanmış salınımlar gerçekleştiren bir elektronun indüklenmiş dipol momenti şuna eşittir: p=eski, Nerede e bir elektronun yükü, X - bir ışık dalgasının elektrik alanının etkisi altında bir elektronun yer değiştirmesi. Bir dielektrik içindeki atomların konsantrasyonu ise N 0 , ardından polarizasyonun anlık değeri

(186.2) ve (186.3)'ten şunu elde ederiz:

Bu nedenle, sorun önyargıyı belirlemeye indirgenmiştir. X bir dış alanın etkisi altındaki elektron E. Işık dalgasının alanı, frekansın  bir fonksiyonu, yani harmonik yasasına göre değişen olarak kabul edilecektir: E = E 0 çünkü t.

En basit durum için (gelen dalganın enerjisinin soğurulmasına neden olan direnç kuvveti dikkate alınmadan) bir elektronun zorunlu salınımlarının denklemi (bkz. §147) şu şekilde yazılabilir:

Nerede T, - ağırlık Ben-şarj.

(186.8) ve (186.9) ifadelerinden, kırılma indisinin N frekansa bağlı  dış alan, yani elde edilen bağımlılıklar, gelecekte ortadan kaldırılması gereken yukarıdaki varsayımlar altında olmasına rağmen, ışık dağılımı olgusunu gerçekten doğrulamaktadır. (186.8) ve (186.9) ifadelerinden, bölgede  = 0 ila  =  0 N 2 birden büyüktür ve arttıkça artar  (normal dağılım); de  =  0 N 2 = ±; gelen bölgede  =  0 ila  = N 2, birden küçüktür ve –'dan 1'e (normal dağılım) yükselir. Giden N 2 bin N, bağımlılık grafiğini elde ederiz N itibaren  Şekil l'de gösterilen forma sahiptir. 270. Bu davranış N yakın  0 - elektron salınımları sırasında direnç kuvvetlerinin olmadığı varsayımının sonucu. Bu durumu hesaba katarsak, fonksiyonun grafiği N( ) yakın  0 kesikli çizgi ile verilecektir AB. Bölge AB- anormal dağılım bölgesi ( N arttıkça azalır  ), bağımlılığın diğer bölümleri N itibaren  normal varyansı tanımlayın ( N arttıkça artar  ).

Rus fizikçi D. S. Rozhdestvensky (1876-1940), sodyum buharında anormal dağılım çalışması üzerine klasik çalışmaya aittir. Buharların kırılma indeksinin çok doğru ölçümü için bir girişim yöntemi geliştirdi ve deneysel olarak formül (186.9)'un bağımlılığı doğru şekilde karakterize ettiğini gösterdi. N itibaren  ve ayrıca ışığın ve atomların kuantum özelliklerini hesaba katan bir düzeltme getirdi.

Optik cihazların çözünürlüğü, bir nesnenin birbirine yakın iki noktasının ayrı görüntülerini verme yeteneğini karakterize eder. Görüntülerinin birleştiği iki nokta arasındaki en küçük doğrusal veya açısal mesafeye doğrusal veya açısal çözünürlük sınırı denir. Herhangi bir sistem, nesneden yayılan ve kırınıma neden olan küresel bir dalga tarafından çevrelenen sınırlı bir açıklığa sahiptir. Optik parçaların kenarlarındaki ışığın kırınımı nedeniyle, ideal bir optik sistemde bile, bir noktanın görüntüsü bir nokta değil, halkalarla çevrili merkezi bir ışık noktası olan bir dairedir (tek renkli ışıkta dönüşümlü olarak karanlık ve aydınlık, beyaz ışıkta yanardöner renkli). Merkezi maksimum, diğer daha az yoğun maksimumlardan mutlak bir minimum ile ayrılır. Bu yüksek dereceli maksimumlar, kırınım modelini önemli ölçüde etkilemez. Bir optik sistemin görüntü kalitesi, bu maksimumun genişliğine, yani kırınım modelinin merkezinden ilk mutlak minimumun bulunduğu mesafeye bağlıdır. Maksimum alan ne kadar küçük olursa görüntü kalitesi o kadar iyi olur. Merkezi tepe noktasının genişliği, görüntü tarafındaki açıklık açısının ve ışığın dalga boyunun bir fonksiyonudur. Açıklık açısı ne kadar küçük ve dalga boyu ne kadar uzunsa, maksimum o kadar geniş olur.

Gözün çözünürlük faktörleri, retinada ve görsel analizörün üst kısımlarında sinyal işleme yöntemlerini içeren "sinir" ve "optik" olarak ayrılabilir.Bu, öncelikle iris üzerindeki kırınım, gözün kendi sapmalarıdır. , göz ortamının yüzeylerinde ışık saçılması, kornea düzensizliklerinin etkisi, gözün optik sisteminin merkezsizleşmesi, yanlış odaklama, nesnelerin kontrastı.Farklı görsel çalışma koşullarında, bu faktörler farklı etkiler.Böylece, gündüz görüşü, gözbebeğinin küçük boyutu nedeniyle kırınım etkisi artarken, aberasyonlar daha az etkiler ve retinal görüntüde korneanın periferik bölgesinin doğru şekilden sapmasını hiç etkilemez. gözbebeği genişler ve korneanın sadece merkezi değil periferik bölgesi de çalışır, görüntü kalitesindeki ve çözünürlüğündeki ana düşüş, korneanın düzensiz şekli ve göz ortamındaki ışık saçılmasından kaynaklanır.

Işığın dalga doğası açısından retinada görüntü oluşumu.

Gözde, diğer birçok optik sistemde olduğu gibi, bir nesneden gelen küresel bir dalga, çapı merkezi maksimumun genişliğini belirleyen gözbebeği olan yuvarlak bir açıklık diyaframı ile sınırlıdır. Yuvarlak bir delikten kırınım figürü bir kırınım dairesidir. Noktanın "görüntüsü" olarak algılanan merkezi maksimumun bu durumda bir yarıçapı vardır:

Bu yarıçap dalga boyuna bağlı olduğundan, merkezi maksimumun değeri ile yan maksimumun yarıçapı farklı renkler için aynı değildir. Bu nedenle beyaz ışıkta bir noktanın görüntüsü renklidir. Gözün optik sisteminde oldukça büyük sapmaların varlığı, kırınım modelinde aydınlatmanın yeniden dağılımına yol açar - merkezi maksimumdaki aydınlatma azalır ve kırınım halkalarında artar. Bu durumda, merkezi maksimumun çapı aynı kalırken, yanallarda az ya da çok değişir. İnsan gözü, belirli bir çözünürlükle, yani gözlemlenen nesnenin öğeleri arasındaki (noktalar veya çizgiler olarak algılanan) en küçük mesafe ile karakterize edilen biyolojik bir optik sistemdir ve bu noktada birbirlerinden hala ayırt edilebilirler. Normal bir göz için, sözde nesneden uzaklaşırken. en iyi görüş mesafesi (D = 250 mm), ortalama normal çözünürlük 0,176 mm'dir.

Optik ve elektron mikroskopları.Elektron mikroskobu ve bireysel elemanları amaç açısından optik olana benzer.Bir optik mikroskopta, bir nesne hakkında bilgi taşıyıcısı bir foton, ışıktır. Işık kaynağı genellikle bir akkor lambadır. Nesne ile etkileşimden sonra (soğurma, saçılma, kırınım), foton akısı dönüştürülür ve nesne hakkında bilgi içerir. Foton akısı, başta lensler olmak üzere optik cihazlar kullanılarak oluşturulur: bir kondansatör , lens , mercek , Görüntü gözle kaydedilir (veya fotoğraf plakası, fotolüminesan ekran vb.).

Bir elektron mikroskobunda, bir nesne hakkında bilgi taşıyıcısı bir elektrondur ve elektronların kaynağı ısıtılmış bir katottur. . Elektronların hızlanması ve bir ışın oluşumu, bir odaklama elektrotu ve bir anot tarafından gerçekleştirilir - elektron tabancası adı verilen bir sistem . Nesne ile etkileşime girdikten sonra (esas olarak saçılma), elektron akışı dönüştürülür ve nesne hakkında bilgi içerir. Bir elektron akışının oluşumu, bir elektrik alanının (elektrotlar ve kapasitörler sistemi) ve bir manyetik alanın (akımlı bir bobin sistemi) etkisi altında gerçekleşir. Bu sistemler, ışık akısı oluşturan optik merceklere benzetilerek elektronik mercekler olarak adlandırılır. ( kondansatör; elektronik, mercek görevi gören, projeksiyon). Görüntü, elektrona duyarlı bir fotoğraf plakasına veya katodolüminesan ekrana kaydedilir. .

Ana maksima, merkezi olana göre çiftler halinde simetrik olarak yerleştirilmiştir ve bir dereceye kadar birbirini kopyalar. Merkezin bir tarafında yer alan maxima seti, merkezi olanla birlikte konu hakkında bilgi aktarmak için yeterlidir. Bu nedenle, merkezin diğer tarafında bulunan maksimumlardan gelen ışınları perdelemek, yalnızca nesnenin görüntüsünün parlaklığını azaltacaktır.

Formülden de görülebileceği gibi (burada A sayısal açıklıktır; n, nesne ile objektif mercek arasındaki ortamın kırılma indisidir), mikroskobun çözünürlük sınırını azaltmanın bir yolu, daha kısa dalga boyuna sahip ışık kullanmaktır. . Sayısal açıklık, objektif ve mikroskop lamel arasındaki boşlukta özel bir sıvı ortam - daldırma - kullanılarak artırılabilir. Mercek mikroskobun çözünürlüğünü hiç etkilemez, sadece objektifin büyütülmüş bir görüntüsünü oluşturur.

Spektral analiz, elektromanyetik radyasyon spektrumları, akustik dalgalar, temel kütle ve enerji dağılımları dahil olmak üzere, maddenin radyasyonla etkileşiminin spektrumlarının çalışmasına dayanan, bir nesnenin bileşiminin nitel ve nicel olarak belirlenmesi için bir dizi yöntem. parçacıklar, vb. Analizin amaçlarına ve spektrum türlerine bağlı olarak, çeşitli yöntemler ayırt edilir spektral analiz. Atomik ve moleküler spektral analizler, bir maddenin sırasıyla elementel ve moleküler bileşimini belirlemeyi mümkün kılar. Emisyon ve absorpsiyon yöntemlerinde, emisyon ve absorpsiyon spektrumlarından kompozisyon belirlenir.Kütle spektrometrik analizi, atomik veya moleküler iyonların kütle spektrumlarından yapılır ve bir nesnenin izotopik kompozisyonunun belirlenmesini mümkün kılar.

Işığın polarizasyonu, sıradan bir ışık kaynağından yayılan doğal ışık ışınlarının özel bir modifikasyonu olgusudur; ışınların böyle bir özelliği, ışık kaynağının kendisinde, eğer bu belirli belirli koşullar altına yerleştirilirse, indüklenebilir, ancak aynı zamanda, ışık kaynağından doğal hallerinde çıkan ışınlara yapay olarak da kazandırılabilir.
Işık vektörünün salınım yönlerinin bir şekilde sıralandığı ışığa polarize denir. Dolayısıyla, herhangi bir dış etkinin bir sonucu olarak, E vektörünün baskın bir salınım yönü ortaya çıkarsa, o zaman kısmen polarize ışıkla uğraşıyoruz demektir. E vektörünün ışına dik olarak yalnızca bir yönde salındığı ışığa düzlem polarize denir.
Çift kırılma, tek bir optik eksene sahip lifli nesnelerdir. Bu, işleri aşırı derecede basitleştirse de, birçok biyolojik çalışma için fiberin uzun ekseninin yapının optik ekseniyle çakıştığını varsaymak uygundur.
Polarizasyon cihazlarında - polarizörler, tamamen veya kısmen polarize ışık elde etmek için üç fiziksel olaydan biri kullanılır: ışığın yansıması sırasında polarizasyon veya iki şeffaf ortam arasındaki arayüzde ışığın kırılması; lineer dikroizm; çift ​​kırılma.

Geometrik optikte görüntüler oluşturulurken aşağıdaki yaklaşımlar kullanılır: 1. Homojen bir ortamdaki ışık düz bir çizgide yayılır (yani, kırınım olgusu ihmal edilir). 2. Bireysel ışınlar birbirinden bağımsız olarak yayılır (yani, ışınların girişimi ihmal edilir). kırılma indeksi n olan ortam ile kırılma indeksi n " olan bir ortam arasındaki arayüzde, geliş açısı i ile kırılma açısı r arasındaki ti sin i = n" sin t ilişkisi sağlanır. Yansıma özel bir durum olarak kabul edilir ilk ortama geri kırılmanın hızı ve ışınların yolu, silindirden elde edilen kırılmalara basit bir ikame ile belirlenir.Kırılma sırasında kısmi yansıma ışınları ve yansıma sırasında kısmi absorpsiyonları dikkate alınmaz.4 Basit olması için, hesaplama sadece gelen ve o kadar küçük açılarda yansıyan ışınlar için gerçekleştirilir ki onlar için yaklaşık oranları kullanmak mümkündür: sin a "tg a" a.
Merkezli bir optik sistem, tüm yüzeylerinin merkezleri aynı düz çizgi üzerinde bulunan bir sistemdir. Bu düz çizgiye sistemin optik ekseni denir. Eksenel olmayan ışınların (yani, optik eksene sonsuz derecede yakın geçen ışınlar) bir küresel yüzey tarafından kırılmasını düşünün. Bir küresel yüzey olduğu durumda, optik eksen içinden geçen herhangi bir düz çizgi olabilir.
Optik fiberler aydınlatma için yaygın olarak kullanılmaktadır. Parlak ışığın bir yüzeyin merkezinden ulaşılması zor bir alana iletilmesi gereken tıbbi ve diğer uygulamalarda ışık kılavuzları olarak kullanılırlar.
Endoskop - çeşitli amaçlar için bir grup optik alet. Tıbbi ve teknik endoskoplar vardır. Teknik endoskoplar, bakım ve performans değerlendirmesi (türbin kanatları, içten yanmalı motor silindirleri, boru hattı durum değerlendirmesi vb.) gizli boşluklar (gümrükte gaz tanklarının muayenesi dahil). SSCB'de teknik endoskoplar Kharkov'da üretildi Tıbbi endoskoplar tıpta içi boş insan organlarının (yemek borusu, mide, bronşlar, üretra, mesane, kadın üreme organları, böbrekler, işitme organları) incelenmesi ve tedavisi için kullanılır. karın ve diğer boşluklar vücut.

Optik sistemlerin sapmaları(lat. - sapma) - bozulma, optik sistemin kusurundan kaynaklanan görüntü hataları. Değişen derecelerde sapmalar, en pahalı olanlar da dahil olmak üzere tüm lenslere tabidir. Merceğin odak uzaklığı aralığı ne kadar büyük olursa, sapmalarının seviyesinin o kadar yüksek olduğuna inanılmaktadır. Küresel sapma- optik sistemlerin sapması; bu ışınların yapısının simetrisini bozmadan (koma ve astigmatizmanın aksine) optik sistemden geçen bir nokta kaynağından gelen ışın ışınlarının eşmerkezliliğinin ihlali. Mesafe δs" sıfır ve aşırı ışınların ufuk noktaları arasındaki optik eksen boyunca denir boyuna küresel sapma.Çap δ" saçılma dairesi (disk) formülle belirlenir

nerede2 H 1 - sistem deliği çapı; A"- sistemden görüntü noktasına olan mesafe; δs"- boyuna sapma Sonsuzda bulunan nesneler için, burada F"- arka odak uzaklığı Netlik için, küresel sapma, kural olarak, yalnızca tablo şeklinde değil, aynı zamanda grafik olarak da sunulur. Optik eksene yakın (merkeze daha yakın) mercekten geçen ışık ışınları bölgede odaklanır. İÇİNDE, lensten uzağa. Merceğin kenar bölgelerinden geçen ışık ışınları bölgede odaklanır. A, merceğe daha yakın. Böylece, merceğin kenarlarının, mercekten geçen ışığın dağılmasının neden olduğu bir fenomen olan Kromatik sapmalardan (CA) daha kısa bir odak uzaklığına sahip olduğu ortaya çıktı, yani. bir ışık demetini bileşenlerine ayırmak. Farklı dalga boylarına (farklı renklere) sahip ışınlar farklı açılarda kırılır, böylece beyaz bir ışından bir gökkuşağı oluşur. Renk sapmaları, özellikle zıt nesnelerde görüntü netliğinin azalmasına ve renk "saçaklarının" görünmesine neden olur. astigmatizm(Yunancadan. a - negatif bir parçacık ve stigme - bir nokta), üzerine gelen ışık huzmesinin farklı enine kesit düzlemlerinde optik yüzeyin eşit olmayan eğriliğinden kaynaklanan optik sistemin bir dezavantajı. Küresel dalga yüzeyi optik sistemden geçtikten sonra deforme olur ve küresel olmaktan çıkar. astigmatizm(tıp) - bir kişinin net görme yeteneğini kaybetmesinin bir sonucu olarak lens, kornea veya göz şeklinin ihlali ile ilişkili görsel bir kusur. Küresel bir şekle sahip optik lensler, kusuru tamamen telafi etmez. Astigmat tedavi edilmezse şaşılığa ve ciddi görme kaybına neden olabilir. Düzeltilmemiş astigmatizm baş ağrısına ve gözlerde batmaya neden olabilir. Bu nedenle, düzenli olarak bir göz doktoruna gitmek çok önemlidir. Silindirik lensler, bir yönde diğerinden daha fazla kıvrılan bir araba lastiği şeklindedir. ışık mikroskobu geometrik optik yasalarına ve görüntü oluşumunun dalga teorisine dayanır, aydınlatma olarak doğal veya yapay ışık kaynakları kullanılır. Klasik bir mikroskop, hareketli bir tüp tutacağı, bir aydınlatıcı ve bir nesne tablası olan bir tripoddur. Bunlara takılan tüp (içi boş tüp) bir mercek sistemi ile donatılmıştır. Nesne tablosunun altına bir ayna iliştirilmiştir. Aydınlatıcının, aynanın ve sahnenin çalışma yüzeyinin konumunu özel valfler kullanarak değiştirerek, ışık ışınlarının incelenen nesne üzerinde hassas bir şekilde odaklanmasını ve mercekte belirgin bir görüntünün ortaya çıkmasını sağlamak mümkündür. Tüpün alt ucunda değişen büyütme derecelerine sahip 2-3 hareketli mercek, üst ucunda ise bir göz merceği vardır. Işık mikroskobu, faz kontrastı, girişim, polarizasyon, lüminesans, kızılötesi, stereoskopik olarak ayrılır ve ışığın ve incelenen nesnenin çeşitli özelliklerinin kullanımına dayanır.

Güneş radyasyonu (radyasyon) - Güneş'in elektromanyetik ve parçacıksal radyasyonu. Güneş'in elektromanyetik radyasyonunun tayf aralığı radyo dalgalarından X-ışınlarına kadar çok geniştir, ancak maksimum yoğunluğu tayfın görünür (sarı-yeşil) kısmına düşer. Dünya'ya ulaşan güneş radyasyonu, dünya atmosferinin katmanlarında en katı temizliğe uğrar. Dünya atmosferi 350 km yükseklikte sert ultraviyole ve X ışınlarını yok etmeye başlar. Aynı yükseklikte, uzun radyo dalgaları yansıtılır. Yumuşak ultraviyole radyasyon, ozonun oluştuğu 30-35 km yükseklikte emilir. Arazi örtüsünün yüzeyine ulaşan kalıntı radyasyon, karanın yanı sıra denizler ve okyanuslar tarafından emilir. güneş sabiti- bu, bir metrekarelik bir yüzeye düşen ve dünya atmosferinin sınırında güneş ışınlarına dik olarak yayılan güneş enerjisi miktarıdır. Kızılötesi radyasyon- görünür ışığın kırmızı ucu (λ = 0,74 μm dalga boyu ile) ve mikrodalga radyasyonu (λ ~ 1-2 mm) arasındaki spektral bölgeyi işgal eden elektromanyetik radyasyon. Kızılötesi radyasyon aynı zamanda "termal" radyasyon olarak da adlandırılır, çünkü ısıtılmış nesnelerden gelen kızılötesi radyasyon insan cildi tarafından bir sıcaklık hissi olarak algılanır. Kızılötesi ışınlar fizyoterapide kullanılır. Kızılötesi dalgaların vücudun derinliklerine (7 cm'ye kadar) nüfuz etmesi dokuları, organları, kasları, kemikleri ve eklemleri ısıtır ve kan ve lenf akışını hızlandırır. Kızılötesi radyasyon ayrıca pestisitlerin, g-radyasyonun etkisini zayıflatmayı mümkün kılarak spesifik olmayan bağışıklığın artmasına katkıda bulunur. IR ışınları cildi kurutur ve bu nedenle bazı cilt hastalıklarını veya yanıkları tedavi etmek için kullanılabilir. Morötesi radyasyon- görünür radyasyonun mor sınırı ile X-ışını radyasyonu arasındaki aralığı işgal eden elektromanyetik radyasyon (380 - 10 nm, 7.9 1014 - 3 1016 Hertz). Özellikleri: Yüksek kimyasal aktivite, görünmez, yüksek nüfuz etme gücü, mikroorganizmaları öldürür, küçük dozlarda insan vücudu üzerinde yararlı bir etkiye sahiptir (güneş yanığı), ancak büyük dozlarda olumsuz bir biyolojik etkiye sahiptir: hücre gelişimi ve metabolizmasında değişiklikler, etki gözlerde Ultraviyole radyasyonun tıpta kullanılması, bakterisidal, mutajenik, terapötik (terapötik), antimitotik ve önleyici etkilere, dezenfeksiyona sahip olmasından kaynaklanmaktadır; lazer biyotıp. Ultraviyole ışınlarının eksikliği beriberiye, bağışıklığın azalmasına, sinir sisteminin zayıf çalışmasına ve zihinsel dengesizliğin ortaya çıkmasına neden olur.Ultraviyole radyasyonun fosfor-kalsiyum metabolizması üzerinde önemli bir etkisi vardır, D vitamini oluşumunu uyarır ve vücuttaki tüm metabolik süreçleri iyileştirir. vücut.

termal radyasyon veya radyasyon - termal enerjileri nedeniyle enerjinin bir vücuttan diğerine elektromanyetik dalgalar şeklinde aktarılması. Termal radyasyon esas olarak spektrumun kızılötesi bölgesinde, yani 0,74 μm ila 1000 μm arasındaki dalga boylarındadır. Radyant ısı transferinin ayırt edici bir özelliği, sadece herhangi bir ortamda değil, aynı zamanda boşlukta bulunan cisimler arasında da gerçekleştirilebilmesidir. Termal radyasyonun özellikleri- enerji parlaklığı- bu, birim zamanda birim yüzey alanı başına vücut tarafından her yöne yayılan termal radyasyonun tüm dalga boyu aralığındaki elektromanyetik radyasyon enerjisi miktarıdır: R = E / (S t), [J / (m2s) )] = [W / m2 ] Enerji parlaklığı cismin doğasına, cismin sıcaklığına, cismin yüzeyinin durumuna ve radyasyonun dalga boyuna bağlıdır Termal radyasyonun kantitatif özelliği: vücudun enerji parlaklığının (parlaklığının) spektral yoğunluğu (R)- birim genişliğin frekans aralığında vücut yüzeyinin birim alanı başına radyasyon gücü:

- absorpsiyon katsayısı- vücut tarafından emilen enerjinin gelen enerjiye oranı. Dolayısıyla, dФfall akışının radyasyonu vücuda düşerse, bunun bir kısmı vücudun yüzeyinden yansır - dFtr, diğer kısmı vücuda geçer ve kısmen ısı dФab'larına dönüştürülür ve üçüncü kısım, birkaç iç yansımadan sonra, vücuttan dışarı doğru geçer dФpr: α = dFabs/dFfall. soğurma katsayısı α soğuran cismin doğasına, emilen radyasyonun dalga boyuna, cismin sıcaklığına ve yüzeyinin durumuna bağlıdır. - tek renkli soğurma katsayısı- belirli bir sıcaklıkta belirli bir dalga boyundaki termal radyasyonun soğurma katsayısı: αλ,T = f(λ,T) Cisimler arasında üzerlerine düşen herhangi bir dalga boyundaki tüm termal radyasyonu emebilen cisimler vardır. Bu tür mükemmel emici cisimlere denir kesinlikle siyah cisimler. Onlar için α = 1. Ayrıca orada gri gövde, hangi α için<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.Kirchhoff yasası. Termal radyasyon dengedir - vücut tarafından ne kadar enerji yayılırsa, o kadarı vücut tarafından emilir. Kapalı bir boşluktaki üç cisim için şunu yazabiliriz:

Kirchhoff yasası: Bir cismin enerji parlaklığının spektral yoğunluğunun monokromatik absorpsiyon katsayısına oranı (belirli bir sıcaklıkta ve belirli bir dalga boyu için) cismin doğasına bağlı değildir ve spektral yoğunluğun tüm cisimleri için eşittir. aynı sıcaklık ve dalga boyunda enerji parlaklığı. Stefan-Boltzmann yasası. Tüm dalga boyu aralığı boyunca toplam enerji parlaklığı, mutlak vücut sıcaklığının dördüncü kuvveti ile orantılıdır:

Şarap Yasası. kara cisim enerji parlaklığının maksimum spektral yoğunluğunu açıklayan dalga boyu λmax, mutlak sıcaklığı T ile ters orantılıdır:

λmax = w/t, burada v = 2,9 * 10-3 m K - Wien sabiti. Planck formülü. Kuantum enerjisi radyasyon frekansı ile orantılıdır: E = hν = hc/λ , Nerede H\u003d 6.63 * 10-34 J s Planck sabiti.

X ışınlarının doğası X-ışınlarının, ultraviyole elektromanyetik dalgalardan daha kısa dalga boyuna sahip bir elektromanyetik radyasyon şekli olduğu artık bilinmektedir. X ışınlarının dalga boyu 70 ile 70 arasında değişmektedir. deniz mili 10 -5'e kadar deniz mili. X ışınlarının dalga boyu kısaldıkça, fotonlarının enerjisi ve nüfuz etme gücü de artar. Nispeten uzun dalga boyuna sahip X ışınları (10'dan fazla deniz mili), arandı yumuşak. Dalga boyu 1 – 10 deniz mili karakterize eder zorlu X-ışınları. Büyük nüfuz etme gücüne sahiptirler. BENröntgen radyasyonu - 80 ila 10 -5 nm uzunluğundaki elektromanyetik dalgalar. Uzun dalga boyuna sahip X-ışınları, kısa dalga boyuna sahip UV radyasyonu ve kısa dalga boyuna sahip olanlar, uzun dalga boyuna sahip g-radyasyonu ile kaplıdır. X-ışınları, x-ışını tüplerinde üretilir. şekil 1.

K - katot

1 - elektron ışını

2 - X-ışını radyasyonu

Pirinç. 1. X-ışını tüpü cihazı.

Tüp, iki elektrotlu (muhtemelen yüksek vakumlu: içindeki basınç yaklaşık 10–6 mm Hg'dir) bir cam şişedir: yüksek voltaj U'nun (birkaç bin volt) uygulandığı anot A ve katot K. Katot bir elektron kaynağıdır (termiyonik emisyon olgusundan dolayı). Anot, ortaya çıkan X-ışını radyasyonunu tüpün eksenine bir açıyla yönlendirmek için eğimli bir yüzeye sahip metal bir çubuktur. Elektron bombardımanı sırasında oluşan ısıyı uzaklaştırmak için oldukça ısı ileten bir malzemeden yapılmıştır. Eğimli uçta, refrakter metalden (örneğin tungsten) yapılmış bir plaka vardır.
Anodun güçlü bir şekilde ısınması, anoda çarpan katot ışınındaki ana elektron sayısının, maddenin atomları ile çok sayıda çarpışma yaşaması ve onlara çok fazla enerji aktarması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. yüksek voltaj, sıcak katod filamanının yaydığı elektronlar yüksek enerjilere doğru hızlandırılır. Bir elektronun kinetik enerjisi mv 2 /2'ye eşittir. Tüpün elektrostatik alanında hareket ederken elde ettiği enerjiye eşittir: mv 2 /2 = eU (1) burada m, e elektronun kütlesi ve yüküdür, U hızlanan voltajdır. Bremsstrahlung X-ışınlarının ortaya çıkmasına neden olan süreçler, atom çekirdeğinin ve atomik elektronların elektrostatik alanı tarafından anot malzemesindeki elektronların yoğun şekilde yavaşlamasına bağlıdır.Oluşma mekanizması aşağıdaki gibi gösterilebilir. Hareketli elektronlar, kendi manyetik alanını oluşturan bir tür akımdır. Elektron yavaşlaması, akım gücünde bir azalma ve buna bağlı olarak, alternatif bir elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olacak manyetik alan indüksiyonunda bir değişikliktir, yani. Elektromanyetik dalga görünümü Böylece, yüklü bir parçacık bir maddenin içine uçtuğunda yavaşlar, enerjisini ve hızını kaybeder ve elektromanyetik dalgalar yayar. X-ray cihazları (x-ray üniteleri ile eşanlamlıdır), teknik ve tıbbi amaçlar için x-ışınları elde etmek ve kullanmak için kullanılan cihazlardır. Tıbbi röntgen cihazları, amaca bağlı olarak teşhis ve tedavi edici olarak ayrılır. Röntgen cihazı aşağıdaki ana ünitelerden oluşmaktadır. 1. Bir yüksek voltaj transformatörü (ana transformatör olarak adlandırılır), bir X-ışını tüpü filament transformatörü, X-ışını tüpüne sağlanan akımı düzelten bir sistem (düşük güçlü cihazlarda) içeren bir yüksek voltaj cihazı , bir düzeltme cihazı olmayabilir). 2. X-ışını jeneratörü - X-ışını tüpü. 3. Şalt - aparatın çalışma modlarını düzenleyen bir kontrol paneli. 4. Röntgen montajı için tripod veya tripod grupları

Spektrum, kısa dalga boylarının kenarından l min olarak adlandırılan bir sınırla sınırlanan sürekli bir spektrumun üst üste bindirilmesidir. sürekli spektrumun sınırı, ve çizgi spektrumu - sürekli bir spektrumun arka planında görünen bir dizi ayrı çizgi Çalışmalar, sürekli spektrumun doğasının anot malzemesine hiç bağlı olmadığını, yalnızca elektronların enerjisi tarafından belirlendiğini göstermiştir. anot bombardımanı. Bu radyasyonun özellikleri üzerine yapılan detaylı bir çalışma, elektronların hedef atomlarla etkileşimi sırasında yavaşlamalarının bir sonucu olarak anodu bombardıman etmesiyle yayıldığını gösterdi. Bu nedenle sürekli X-ışını spektrumu denir. Bremsstrahlung spektrumu. Bu sonuç, klasik radyasyon teorisi ile uyumludur, çünkü hareketli yüklerin yavaşlaması aslında sürekli bir spektrum ile radyasyona yol açmalıdır.Ancak, sürekli spektrumun bir kısa dalga sınırının varlığı, klasik teoriden kaynaklanmaz. . Deneylerden, X-ışını ışınımına neden olan elektronların kinetik enerjisi ne kadar büyükse, lmin o kadar küçük olur. Bu durum ve sınırın kendisinin varlığı kuantum teorisi ile açıklanmaktadır. Bir kuantumun sınırlayıcı enerjisinin, bir elektronun tüm kinetik enerjisinin bir kuantumun enerjisine dönüştürüldüğü böyle bir yavaşlama durumuna karşılık geldiği açıktır, yani burada U- bir elektrona hangi enerjinin verildiğinden dolayı potansiyel fark e maksimum, N maks - sürekli spektrumun sınırına karşılık gelen frekans. Dolayısıyla, deneysel verilere tam olarak karşılık gelen sınırlayıcı dalga boyu. X-ışını sürekli spektrumunun sınırını ölçerek, Planck sabitinin deneysel değerini belirlemek için formül (229.1) kullanılabilir. H anodu sürekli bir spektrumun arka planına karşı bombardıman eden yeterince yüksek elektron enerjisinde, ayrı keskin çizgiler belirir - anot malzemesi tarafından belirlenen ve adı verilen bir çizgi spektrumu karakteristik x-ışını spektrumu (radyasyon).X-ışınlarının teşhiste kullanılmasının nedeni yüksek penetrasyon güçleridir. Keşfin ilk günlerinde, X-ışınları esas olarak kemik kırıklarını incelemek ve insan vücudundaki yabancı cisimleri (mermiler gibi) bulmak için kullanılıyordu. Şu anda, X-ışınları (X-ışını teşhisi) kullanılarak çeşitli teşhis yöntemleri kullanılmaktadır. floroskopi . Bir X-ışını cihazı, bir X-ışını kaynağı (X-ışını tüpü) ve bir flüoresan ekrandan oluşur. Röntgen ışınları hastanın vücudundan geçtikten sonra doktor hastanın gölge görüntüsünü gözlemler. Doktoru röntgen ışınlarının zararlı etkilerinden korumak için ekran ile doktorun gözleri arasına kurşun pencere konulmalıdır. Bu yöntem, bazı organların işlevsel durumunu incelemeyi mümkün kılar. Örneğin, bir doktor, akciğerlerin hareketlerini, bir kontrast maddenin gastrointestinal sistemden geçişini doğrudan gözlemleyebilir. Bu yöntemin dezavantajları, yetersiz kontrastlı görüntüler ve işlem sırasında hastanın aldığı görece yüksek doz radyasyondur. Florografi . Bu yöntem, hastanın vücudunun bir bölümünün fotoğrafının çekilmesinden oluşur. Kural olarak, düşük dozda X-ışınları kullanan hastaların iç organlarının durumunun ön çalışması için kullanılırlar. Radyografi. (X-ışını radyografisi). Bu, görüntünün fotoğraf filmine kaydedildiği, x-ışınları kullanılarak yapılan bir araştırma yöntemidir. Fotoğraflar genellikle birbirine dik iki düzlemde çekilir. Bu yöntemin bazı avantajları vardır. Röntgen fotoğrafları, floresan ekrandaki bir görüntüden daha fazla ayrıntı içerir ve bu nedenle daha bilgilendiricidir. Daha fazla analiz için kaydedilebilirler. Toplam radyasyon dozu floroskopide kullanılandan daha azdır. . Bilgisayarlı eksenel tomografi tarayıcı, organların yumuşak dokuları da dahil olmak üzere insan vücudunun herhangi bir bölümünün net bir görüntüsünü elde etmenizi sağlayan en modern X-ışını teşhis cihazıdır.

X-ışını bilgisayarlı tomografi yöntemi, hastanın vücudunun belirli bir bölümünün görüntüsünün, bu bölümün farklı açılardan yapılmış çok sayıda X-ışını projeksiyonunu kaydederek yeniden oluşturulmasına dayanır. Bu projeksiyonları kaydeden sensörlerden gelen bilgiler, özel bir programa göre bilgisayara girer. hesaplar dağıtım numune yoğunluğu incelenen bölümde ve görüntü ekranında görüntüler. Hastanın vücudunun bu şekilde elde edilen bölümünün görüntüsü, mükemmel netlik ve yüksek bilgi içeriği ile karakterize edilir. Program şunları yapmanızı sağlar: görüntü kontrastını artır onlarca hatta yüzlerce kez. Bu, yöntemin teşhis yeteneklerini genişletir. bilgisayarlı röntgen tomografisi . Bilgisayarlı eksenel tomografi tarayıcı, organların yumuşak dokuları da dahil olmak üzere insan vücudunun herhangi bir bölümünün net bir görüntüsünü elde etmenizi sağlayan en gelişmiş X-ışını teşhis makinesidir.İlk nesil bilgisayarlı tomografi (CT) tarayıcılar, özel bir silindirik bir çerçeveye tutturulmuş x-ışını tüpü. Hastaya ince bir röntgen ışını yönlendirilir. Çerçevenin karşı tarafına iki x-ışını detektörü takılmıştır. Hasta, vücudunun etrafında 180 0 dönebilen çerçevenin merkezindedir.X-ışını ışını sabit bir nesnenin içinden geçer. Dedektörler, çeşitli dokuların emilim değerlerini alır ve kaydeder. X-ışını tüpü taranan düzlem boyunca doğrusal olarak hareket ederken 160 kez kayıt yapılır. Daha sonra çerçeve 1 0 döndürülür ve prosedür tekrarlanır. Çerçeve 180 0 dönene kadar kayıt devam eder. Her dedektör, çalışma sırasında 28800 çerçeve (180x160) kaydeder. Bilgi bir bilgisayar tarafından işlenir ve seçilen katmanın bir görüntüsü özel bir bilgisayar programı kullanılarak oluşturulur İkinci nesil BT, birkaç X-ışını ışını ve 30 adede kadar x-ışını detektörü kullanır. Bu, inceleme sürecini 18 saniyeye kadar hızlandırmayı mümkün kılar Üçüncü nesil CT yeni bir ilke kullanır. Fan şeklindeki geniş bir X-ışını demeti, incelenen nesneyi kaplar ve vücuttan geçen X-ışını radyasyonu birkaç yüz dedektör tarafından kaydedilir. Çalışma için gereken süre 5-6 saniyeye düşürülür CT'nin daha önceki X-ışını teşhis yöntemlerine kıyasla birçok avantajı vardır. Yumuşak dokulardaki ince değişiklikleri ayırt etmeyi mümkün kılan yüksek çözünürlük ile karakterize edilir. CT, diğer yöntemlerle tespit edilemeyen bu tür patolojik süreçlerin tespit edilmesini sağlar. Ayrıca BT kullanımı, teşhis sürecinde hastaların aldığı X-ışını radyasyon dozunun azaltılmasını mümkün kılar. Görüntüleri işlerken kameramanlar şunları sağlar: Pozitif ve negatif görüntüler, yalancı renkli görüntüler, rölyef görüntüler elde edin Kontrastı artırın ve ilgilenilen görüntü parçasını artırın Diş dokularının ve kemik yapılarının yoğunluğundaki değişiklikleri değerlendirin, kanal dolgusunun homojenliğini 0,1 mm hassasiyetle kontrol edin. Görüntüyü analiz ederken yapay zeka unsurlarına sahip benzersiz Çürük dedektör sistemi, leke aşamasındaki çürükleri, kök çürüklerini ve gizli çürükleri tespit etmenizi sağlar.

Radyasyonun biyolojik etkisi, özellikle hızla çoğalan hücreler olmak üzere yaşamsal aktiviteyi bozmasıdır. X-ışınları ve madde arasındaki birincil etkileşim, üç mekanizma ile karakterize edilir: 1. Tutarlı saçılma. Bu etkileşim şekli, X-ışını fotonlarının elektronların bir atom çekirdeğine bağlanma enerjisinden daha az enerjiye sahip olması durumunda meydana gelir. Bu durumda, fotonun enerjisi, maddenin atomlarından elektronları serbest bırakmak için yeterli değildir. Foton atom tarafından emilmez, ancak yayılma yönünü değiştirir. Bu durumda, X-ışını radyasyonunun dalga boyu değişmeden kalır.2. Fotoelektrik etki (fotoelektrik etki). Bir X-ışını fotonu maddenin bir atomuna ulaştığında, elektronlardan birini devre dışı bırakabilir. Bu, foton enerjisi elektronun çekirdeğe bağlanma enerjisini aştığında meydana gelir. Bu durumda foton emilir ve elektron atomdan salınır. Bir foton, bir elektronu serbest bırakmak için gerekenden daha fazla enerji taşıyorsa, kalan enerjiyi serbest bırakılan elektrona kinetik enerji şeklinde aktaracaktır. Fotoelektrik etki adı verilen bu olay, nispeten düşük enerjili X-ışınları emildiğinde ortaya çıkar. 3. Tutarsız saçılma (Compton etkisi). Bu etki Amerikalı fizikçi Compton tarafından keşfedildi. Bir madde küçük dalga boyundaki X ışınlarını emdiğinde oluşur. Bu tür X-ışınlarının foton enerjisi her zaman maddenin atomlarının iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Compton etkisi, yüksek enerjili bir X-ışını fotonunun, atom çekirdeğine nispeten zayıf bir bağı olan bir atomun dış kabuğundaki elektronlardan biriyle etkileşiminin sonucudur. X-ışınları, insan vücudunun karmaşık moleküllerini ve atomlarını yüklü parçacıklara ve aktif moleküllere "kırabilir". Diğer radyasyon türlerinde olduğu gibi, yalnızca insan vücudunu yeterince uzun bir süre etkileyen belirli bir yoğunluğa sahip X ışınları tehlikeli kabul edilir. X-ışınlarının yanı sıra diğer iyonlaştırıcı radyasyonların etkisinin neden olduğu etkiler şunları içerir: 1) nispeten küçük bir aşırı maruz kalmanın ardından kanın bileşiminde geçici değişiklikler; 2) uzun süreli aşırı maruziyetten sonra kanın bileşiminde geri dönüşü olmayan değişiklikler (hemolitik anemi); 3) katarakt oluşumu; 4) kanser insidansında artış (lösemi dahil); 5) daha hızlı yaşlanma ve erken ölüm

Benzer bilgiler.