8. Спектральный анализ.

По линейчатому спектру паров какого-либо вещества можно установить, какие химические элементы входят в его состав. Такой метод определения химического состава вещества называется качественным спектральным анализом. Точное расположение линий в спектре излучения каждого элемента приводится в специальных таблицах спектральных линий. Спектральный анализ газов можно проводить и по спектрам поглощения.

Разработаны методы количественного спектрального анализа, позволяющие по интенсивности свечения линий химического элемента определять его процентное содержание в пробе. Он позволяет обнаружить присутствие очень малых количеств элемента (до 10^-6 – 10^-9 г).

Д ля определения элементов с низкой энергией возбуждения (2 – 4эВ) используют фотометрию пламени. Упрощенная схема на рис.11.

Свет от пламени, в которое введена проба, пропускают через светофильтр СФ, имеющий узкую полосу пропускания Δλ в спектральной области, соответствующей искомому элементу. Далее свет направляют на фотоэлемент, соединенный с чувствительным гальванометром. Имея набор сменных светофильтров, можно изучить различные участки спектра и установить, присутствует ли в пробе тот или иной элемент. В пламени с большой точностью определяются все щелочные и щелочноземельные элементы, марганец, хром и др. Фотометрия пламени применяется для анализа природных вод, биологических жидкостей, химических удобрений, медицинских препаратов.

ЛЕКЦИЯ №22

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА.

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗРИТЕЛЬНОЙ РЕЦЕПЦИИ.

1. Оптическая система глаза. Аккомодация.

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в разделе геометрической оптики особое место. Это объясняется тем, что многие оптические инструменты рассчитаны на зрительное восприятие их показаний. С другой стороны глаз человека (и животных) как усовершенствованная в процессе эволюции биологическая система, даёт некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Рассмотрим строение глаза. Глазное яблоко имеет почти шарообразную форму с диаметром в осевом направлении 24 – 25 мм. Оно содержит светопроводящий и световоспринимающий аппарат глаза. Стенки глаза состоят из трёх концентрически расположенных оболочек – наружной, средней и внутренней. Наружная оболочка – склера в передней части глаза переходит в прозрачную выпуклую роговую оболочку (роговица). Отделённая от склеры роговица имеет форму сферической чашечки диаметром около 12 мм и толщиной около 1 мм. Радиус кривизны её 7-8 мм, показатель преломления – 1,38. К склере прилегает сосудистая оболочка, внутренняя поверхность которой выстлана слоем пигментных клеток, препятствующих внутреннему диффузному рассеиванию света в глазу. В передней части сосудистая оболочка переходит в радужную, окрашенную у различных людей по-разному и имеющую в центре небольшое круглое отверстие – зрачок.

Радужная оболочка является своеобразной диафрагмой, регулирующей диаметр зрачка (от 2-3 мм при ярком, до 6-8 мм при слабом освещении) и тем самым световой поток, попадающий в глаз. Пространство между радужной оболочкой и роговицей (передняя камера) заполнено прозрачной жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде. Непосредственно за зрачком расположен хрусталик – упругое прозрачное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы (п-1,4). Диаметр хрусталика 8-10 мм, радиус кривизны передней поверхности 10 мм, задней – 6 мм. С помощью круговой ресничной мышцы кривизна хрусталика может меняться. Вся внутренняя полость глаза заполнена прозрачной студенистой жидкостью – стекловидным телом (п=1,33).

К сосудистой оболочке в задней части, называемой дном глаза, прилегает сетчатая оболочка, или ретина, содержащая световоспринимающий аппарат глаза (рецепторный аппарат). Он состоит из мельчайших рецепторных клеток-палочек и колбочек, обеспечивающих сумеречное и цветовое зрение. Сетчатка служит световоспринимающим экраном, на котором получается действительное и уменьшенное изображение предмета, рассматриваемого глазом. Преломляющая система глаза: роговица, влага передней камеры, хрусталик, стекловидное тело – представляют центрированную оптическую систему с оптической осью, проходящей через геометрические центры хрусталика, зрачка и роговицы. Для оптической системы глаза, как и для любой оптической системы, можно указать шесть кардинальных точек, с п омощью которых определяют направление лучей света – это две главные точки (H₁ и H₂), две узловые точки (N₁ и N₂) и два фокуса (F₁ и F₂) (рис.1). Через две главные точки, перпендикулярно оптической оси проходят две главные плоскости (I и II). На одинаковом расстоянии от них находятся фокусы. При построении изображений пользуются следующими правилами. Луч, идущий от предмета через фокус и пересекающий первую главную плоскость на высоте h от оптической оси, выходит из плоскости II на таком же удалении h от оси и параллельно ей. Луч, идущий от предмета к одной узловой точке N₁, выходит из другой узловой точки N₂ параллельно своему первоначальному направлению (см. рис.). Среднее положение кардинальных точек в глазу человека определяют по результатам исследования множества людей с нормальным зрением. Обе главные и обе узловые точки в усреднённом глазу расположены близко друг от друга. В глазу ещё различают зрительную ось, проходящую через центры хрусталика и жёлтого пятна (участок на сетчатке, обладающий наибольшей чувствительностью к свету) и определяющую направление, по которому глаз имеет наивысшую чувствительность. Угол между главной оптической и зрительной осями составляет 5⁰. Этот угол имеет практическое значение. Если он достаточно велик, возникает впечатление косоглазия. Его следует учитывать при определении расстояния между центрами очковых линз.

Здоровый глаз приспосабливается к рассмотрению предметов, расположенных от него на расстоянии от 10-15 см до бесконечности. Эта способность глаза называется аккомодацией.

Аккомодация – это способность глаза изменять оптическую силу за счёт изменения кривизны хрусталика, что позволяет получать чёткие изображения предметов на сетчатке. При этом изменяется оптическая сила (D). , где R₁ и R₂ – радиусы кривизны хрусталика. Из формулы линзы , следует, что при увеличении D уменьшается расстояние до объекта (d), не изменяя расстояния до изображения (f). В целом оптическая система глаза действует как собирающая линза с переменным фокусным расстоянием. Вся система глаза в ненапряжённом состоянии (покой аккомодации) имеет оптическую силу около 63 диоптрий. Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговицы, на границе с воздухом. Она имеет оптическую силу около 43 диоптрий. Оптическая сила хрусталика при этом 20 диоптрий (при рассмотрении удалённых предметов). При рассмотрении близких предметов кривизна хрусталика увеличивается, и оптическая сила глаза может достигать 70-75 дптр (предел аккомодации).

У взрослого человека (здорового) при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряжения, и, благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирует на этом расстоянии, называемом расстоянием наилучшего зрения. Минимальное расстояние до предмета, соответствующее максимальной аккомодации, определяет положение так называемой ближней точки ясного видения (ближняя точка глаза). Положение ближней точки зависит от возраста человека. С возрастом это расстояние увеличивается, а аккомодация уменьшается.

Д ля построения изображения предметов на сетчатой оболочке глаза и анализа связанных с этим явлений пользуются редуцированным, или приведённым глазом, который рассматривается как однородная сферическая линза. Предложено несколько схем приведённого глаза весьма близких между собой. На рис.2 (глаз по Вербицкому) приведена такая схема: радиус r передней преломляющей поверхности 6,8 мм, радиус R сферы 10,2 мм, длина по оси 23,4 мм; n=1,4. Оптический центр О линзы находится на расстоянии 6,8 мм от вершины передней преломляющей поверхности, а главный фокус F на расстоянии 16 мм от оптического центра, т.е. внутри линзы. В приведённом глазу по Вербицкому главные и узловые точки, для упрощения построений, как и для тонкой линзы, совмещены и находятся в точке О (центр линзы) (рис.3).

П остроение изображения предметов в приведённом глазе делается по правилам для одиночной тонкой линзы. Предмет обычно располагается за двойным фокусным расстоянием, и изображение получается на задней поверхности приведённого глаза действительным, обратным и уменьшенным (рис.3).