Микроскопия. Фундаментальные знания. (Часть 1)

Ученые всегда хотели понять, как устроен наш мир, и направить полученные знания на улучшение качества жизни. Мы накапливаем опыт, используя информацию, передаваемую нам пятью чувствами в повседневной жизни, восприятие нами окружающего многогранно и открывает всё новые горизонты познаний.

В наше время микроскопия является популярным методом исследования структуры материалов. Хотя современными учеными активно используются цифровые технологии, как дополнение к оптическим микроскопам, качество изображения все еще близко к картинке, воспринимаемой невооруженным глазом.
Видимый свет является источником информации, а данные, которые он несет — результат его различных взаимодействий с физической материей. Электромагнитное излучение — отправная точка и для металлографии, и для световой микроскопии в целом.
В этой главе мы рассмотрим основные понятия, относящиеся к взаимодействию света и материи. Всю же тему световой микроскопии, лежащей в основе металлографии, мы условно разделили на две части. Во второй части подробно описаны методы контрастирования, играющие важную роль в исследовании металлографических образцов.

 

Основы оптики.

Основные понятия оптики, описанные ниже, раскрывают свойства света, необходимые для понимания представленного материала, но не являются исчерпывающими. Если вас заинтересует более глубокое и детальное изучение данного вопроса, мы советуем вам почитать дополнительную специальную литературу.

 

Видимый свет.

Мы воспринимаем свет в качестве электромагнитного излучения, видимого невооруженным глазом. Он включает в себя волны в диапазоне 400—750 нм. Благодаря различию в длинах и смешиванию волн, мы можем видеть оттенки света. Невидимые глазу спектры (от глубокого красного и инфракрасного диапазона (до 1200 нм) и свет близкий к ультрафиолетовому (200—380 нм) также используются в световой микроскопии, они легко обнаруживаются при помощи CCD камер, отображаются на мониторе и поддаются анализу.

 

Спектр

 

 

Длина волны. Частота. Энергия.

Длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, обычно длина волны обозначается греческой буквой λ. Определено, что две точки принадлежат одной фазе, если они имеют одинаковую амплитуду (А) и движутся в одинаковом направлении в течение времени. Скорость распространения света в одном и том же веществе неодинакова и зависит от длины волны, которая обратно пропорциональна частоте. Зависимость скорости световых волн от длины волны называется дисперсией света. Вследствие дисперсии, при переходе света из одной среды в другую, длина волны изменяется прямо пропорционально скорости его распространения. Скорость и длина волны изменяется, но частота остается неизменной. Однако, свет определяется не только свойствами волн, но и количеством фотонов.

Фотон — частица света, квант электромагнитного поля (одна из нейтральных элементарных частиц). Энергия фотона прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны. Это означает, что с увеличением частоты и энергии длина волны уменьшается. Стоит заметить, что повышение энергии на малом участке спектра имеет опасное влияние на живые организмы (например, воздействие ультрафиолетового света на кожу вызывает рак).
Яркость света, воспринимаемого глазом, тем выше, чем большее количество фотонов достигает глаз в единицу времени. Кроме яркости свет также характеризуется такими параметрами как цвет, длина волны, контрастность и разложение.
Наименьшей чувствительностью обладает глаз к изменениям насыщенности желтого цвета. При переходе к оранжевому или зеленому цветам чувствительность к изменению насыщенности возрастает примерно в 4 раза и остается практически постоянной в диапазоне волн 400—530 нм, а в диапазоне волн 620—700 нм повышается еще в 1,5 раза.
Как показывает опыт, разрешающая способность зрения к цветовым переходам значительно ниже, чем к переходам яркости. Человеческий глаз способен различать 50—60 уровней яркости цвета. Монитор компьютера использует 256 тонов (8 бит), в то время как цифровая камера, в зависимости от модели, способна не только уловить до 4096 полутонов (12 бит), но и сделать их доступными для восприятия на изображении.

Амплитуда и длина волны

 

Схематическое изображение волн, длины волны (λ), наименьшего расстояния между двумя точками одной фазы волны и высоты колебаний (амплитуда А).

 

 

Задержка волны

 

 

Световая волна, проходя через оптически более плотную среду (например, стекло), затормаживается. Амплитуда остается практически неизменной.

 

 

 

 


Свет – взаимодействие с объектом.

Когда свет сталкивается с объектом, возникают отражение (ρ), поглощение (α) (абсорбция) и трансмиссия (τ). Все эти явления зависят от различных параметров объекта, таких как материал (индекс преломления n), поверхность, толщина (коэффициент поглощения μ) и цвет. Кроме этого имеют место процессы (поляризация, интерференция), являющиеся решающими для формирования контрастности изображения и исследовании материала в проходящем свете, что активно используется в металлографической микроскопии.

 

Поглощение и рассеяние.

В повседневной жизни мы знаем, как бесцветный свет, часто называемый белым, может изменять яркость в зависимости от того, как он поглощается. Поглощение света (абсорбция) происходит во всём объёме абсорбента. От толщины слоя материала зависит то, какое количество фотонов света останется не поглощенным или не рассеянным, что объясняет, почему небо кажется более темным, а солнце в горах более ярким. Поглощение зависит от длины волны (частоты) света и обычно изменяется в зависимости от цвета поверхности.
Поглощение вызвано рассеянием света (т. е. изменением какой-либо характеристики потока оптического излучения при его взаимодействии с веществом). Если рассеяние происходит без изменения длины волны, т. е. в результате столкновения частиц, меняются только их импульсы, а внутренние состояния остаются неизменными, то такое явление носит название упругое рассеяние. Неупругое рассеяние — столкновение частиц света, сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в др. частицы или дополнительным рождением новых частиц.
В таблице ниже описаны визуальные эффекты, связанные и с упругим, и с неупругим рассеянием света.

 Видимый эффект Объекты Физическое явление Изображение
Полная прозрачность, сопровождаемая постепенным отражением Большинство газов, некоторые жидкости, некоторые минеральные вещества, такие как стекло (SiO2), кварц и другие кристаллические структуры со схожими физическими свойствами, имеющие гладкую поверхность и однородную структуру. Используются в линзах в зависимости от индекса преломления. Упругое рассеивание фотонов при взаимодействии с электронами, которые связаны электромагнитными силами в атомной/молекулярной системе. Структура системы должна быть или полностью однородной или строго упорядоченной, как в кристалле. При соприкосновении гладкой поверхности с вакуумом или другими веществами, как например шлифованное стекло и воздух, практически отсутствует эффект беспорядочной интерференции. Границы между средами с разными индексами преломления дают четкое изображение.  Прозрачность
Диффузная прозрачность Как указано выше, но загрязненные дополнительными веществами или имеющие размытые границы. Бесцветное, прозрачное вещество со статистически неровными границами с различными индексами преломления (изменяющих скорость света) вызывает упругое рассеивание во всех пространственных направлениях согласно влиянию взаимодействия.  Диффузная прозрачность
Коэффициент отражения Все металлы, чьи физические свойства не предусматривают наличие электронов, имеющих сильные внутренние связи с атомами и молекулами. Электроны ведут себя как свободно передвигающийся газ, имеющий слабые внутренние связи в своей структуре (в зависимости от коэффициента отражения, эти материалы используются для производства зеркальных систем оптических инструментов). Упругое рассеяние фотонов, которые при взаимодействии с электронами образуют общее электрическое поле. Электроны имеют слабую связь в атомной и молекулярной структуре, что объясняет их поглощающее воздействие на фотоны, хотя фотон непосредственно ослабевает (отталкивается). Поверхности должны быть идеально гладкими.  Коэффициент отражения
Возвращение Нешлифованная, чистая металлическая поверхность без загрязнения окислением. Такое же, как и коэффициент отражения при гладкой поверхности, но с рельефной поверхностью, которая является причиной диффузного отражения в результате влияния интерференции.  Возвращение
Поглощение Большинство органических и неорганических материалов имеют высокую степень поглощения и являются непрозрачными. Для получения информации об их взаимодействиях с фотонами, эти материалы должны быть представлены тонкими однородными слоями, так как они все еще передают значительное число фотонов, достаточное для описания явления абсорбции. Различные влияния неупругого рассеивания фотонов при взаимодействии с электронами посредством энергии поглощенного фотона, которая обычно рассеивается внутри материи в качестве термодинамической энергии. Эффект Рамана — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества, сопровождающееся заметным изменением его частоты. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.  Поглощение
Флюоресценция (люминесценция) Сложные органические молекулы и полупроводящие кристаллические структуры (квантовые точки) обычно используются для демонстрации флюоресценции. Неупругое рассеяние фотонов приводит к тому, что электроны в веществе теряют энергию. В зависимости от типа молекулы, поглощенная энергия фотона освобождается после определенного промежутка времени из фотонов с более низкой энергией и, затем освобождается или поглощается вторичными процессами. Часть поглощенной энергии фотонов может рассеяться в материи в виде термодинамической энергии.  Флуоресценция
Поляризация Чистая, гладкая, металлическая поверхность отражает зависимость взаимодействия фотонов (учитывая их поляризацию). Параметром является угол падения фотона относительно поверхности. Большинство натуральных кристаллических материалов проявляют анизотропию (зависимость показателя преломления света и других физических свойств кристалла от выбранного в нем направления) в абсорбции или передачу поляризации фотонам (например, двоякопреломляющие материалы, такие как кварц или кальцит). Действие силы фотона является динамичным, изменяется симметрично, вдоль осевого перпендикуляра в направлении распространения, сохраняясь в таком состоянии до полного исчезновения фотона. Любая анизотропия материи (в зависимости от полярности) при взаимодействии с электромагнитными силами определит, будет ли одно из явлений, описанных выше, в поляризованном фотоне иметь место.  Поляризация

Преломление и индекс преломления.

Различные виды прозрачной среды, такие как воздух, вода или стекло замедляют прохождение света сквозь них (происходит сдвиг фазы) в различной степени, в зависимости от их оптической плотности. Когда свет из одной среды (например, из воздуха) входит в другую среду с более высокой оптической плотностью (например, стекло) под углом, свет не только замедляется, но еще и преломляется. Преломление (рефракция) — это свойство лучей света изменять направление при переходе через границу разнородных сред и материалов. Степень преломления света зависит от коэффициента преломления среды (материала). Этот коэффициент равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде. Как правило, чем выше плотность среды (материала), тем больше коэффициент. Масла, которые используются в микроскопии для увеличения разрешающей способности или для усиления увеличения объективов имеют индекс преломления ≈1,51.

Преломление

Отражение.

Отражение света — явление, заключающееся в возвращении световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред, имеющих различные показатели преломления. В зависимости от состояния границы раздела двух сред различают зеркальное и диффузное отражение света.

 

Отражение света

От гладких поверхностей свет отражается согласно закону физики: угол падения равен углу отражения. Это означает, что каждый луч света отражается строго в одном направлении. От границы сред с относительно неоднородной поверхностью волны отражаются рассеянно (диффузно), т. е. во всех направлениях пространства.

 

Интерференция.

Световые волны часто взаимодействуют друг с другом, накладываются, и если частоты и длины этих волн одинаковы, то образуется новая волна. Сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны, называется интерференцией волн. Результатом сложения когерентных волн света, когда гребни волн совпадают, является конструктивная интерференция. В то время как деструктивная интерференция — результат сложения когерентных волн света, когда пик одной волны совпадает с провалом другой. Любая волна, способная к интерференции называется когерентной волной. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

 

Поляризация.

Поляризация — это свойство поперечных волн, а, следовательно, и электромагнитных, описывать направление вектора амплитуды. Явление поляризации не возможно с продольными волнами, колебания которых имеют место в направлении дисперсии. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями. Во-первых, волновым вектором, указывающим направление дисперсии, а во-вторых, вектором амплитуды, который всегда перпендикулярен волновому вектору поперечных волн. Третья степень свободы в трехмерном пространстве — вращение вокруг волнового вектора. Существует три отдельных вида поляризации. Они отличаются направлением и величиной амплитуды вектора (в неизменной точке в пространстве).
Линейная поляризация — вектор амплитуды всегда указывает в постоянном направлении, отклонение периодически изменяет свою величину и знак (амплитуда остается неизменной) с движением волны.
Круговая поляризация (или вращательная) — вектор амплитуды вращается с постоянной угловой скоростью вокруг волнового вектора и не меняет свою величину и знак в процессе движения волны.
Эллиптическая поляризация — вектор амплитуды вращается вокруг волнового вектора и периодически изменяет свою величину. В этом случае вершина вектора поля двигается по эллипсу. Поляризационные методы облегчают применение методов высококачественного фазового контраста, таких как метод дифференциального интерференционного контраста (ДИК).

 

Дифракция.

Дифракция света — явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Свет отклоняется при прохождении его через малое отверстие или узкие щели (0,1—1,0 мм). В этом случае лучи света распространяются не только прямо, но и в стороны, отчего вокруг светлого кружка или светлой полосы появляется цветная кайма — дифракционные кольца или полосы. Первые легко наблюдать, если смотреть сквозь малое отверстие на стоящий недалеко источник света. Чем меньше отверстие, тем больше диаметр первого кольца дифракции. С увеличением отверстия его диаметр уменьшается. Дифракция ухудшает резкость изображения при очень сильном диафрагмировании объектива.

Если Вы заметили ошибку или неточность, пожалуйста, сообщите нам об этом. Спасибо.