Явление полного внутреннего отражения света в природе и медицине

Природной волоконнооптической системой является сетчатка глаза, поскольку светочувствительные элементы – палочки и колбочки – представляют весьма тонкие светопроводящие волоконца. В последние годы растет убеждение, что волоконнооптические элементы встречаются в природе значительно чаще, чем считали раньше.

Недавно выяснили, что полное внутреннее отражение существенно для роста растений. Элементом, чувствительным к свету у растений является пигмент фитохром. Красный свет с l»660 нм переводит молекулу фитохрома в активное состояние, в результате чего запускаются биохимические реакции, приводящие к росту растения, его ориентировке и т.д. Естественно было искать молекулы фитохрома в наземной части растения. Однако у злаков, например, у овса, фасоли концентрация фитохрома в клетках, находящихся на 2-3 см ниже земли оказалась в 10 раз больше, чем в клетках находящихся под землей. Поэтому после скашивания эти растения активно растут. Как же свет попадает в эти клетки? Оказалось, что световодом служит стебель овса. Который проводит свет на 4-5 см.

Приборы, с помощью которых определяют показатель преломления света, называются рефрактометрами. В рефрактометрах используется зависимость предельного угла полного внутреннего отражения от показателя преломления вещества. Рефрактометры используются в медицине для определения концентрации растворенного вещества (концентрации белка в сыворотке крови, концентрации раствора сахара и т.д.)

Волоконная оптика – раздел оптики, в котором рассматривается передача и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. Волоконная оптика возникла в 50-х годах ХХ века.

В волоконно-оптических деталях световые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность элементов изображения, каждый из которых передается по своей световедущей жиле. В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила которого (сердцевина) окружена стеклом оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соответствующими углами, претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются по световедущей жиле.

Световоды и другие волоконно-оптические детали широко применяются в медицине. Жесткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15-50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутренних полостей носоглотки, желудка, бронхов. В таких приборах свет от электрической лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подается в освещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стеклянных волокон (гибкий эндоскоп) позволяет видеть изображение стенок внутренних полостей, диагностировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять простейшие хирургические операции без вскрытия полости.

Устройство и принцип действия рефрактометра

Рис.4. Схематический чертеж рефрактометра

Основная призма (1) (рис.4) укреплена неподвижно. Верхняя вспомогательная призма (2) вращается на шарнире. Ее поворачивают во время заполнения (или удаления) пространства между призмами исследуемой жидкостью. Лучи, выходящие из призмы, попадают в зрительную трубу, с помощью которой наблюдают границу светотени. Зрительная труба состоит из объектива (4), отражательной (поворотной) призмы (5), изменяющей направление распространения света на 90 градусов к наблюдателю, и окуляра (6). Наблюдаемая граница светотени может быть в большей или меньшей степени окрашена и расплывчата. Это наблюдается в результате дисперсии света. Для устранения влияния дисперсии в рефрактометре применяется призма прямого зрения Амичи (7). Она установлена перед объективом зрительной трубы. Вращая призму Амичи, добиваются получения резкой и неокрашенной границы светотени. Наблюдая в окуляр границу раздела светотени, можно определить ее положение, пользуясь шкалой и визирными линиями окуляра. Шкала рефрактометра проградуирована в соответствующих значениях показателей преломления. В рефрактометрах-сахариметрах вторая шкала служит для определения концентрации сахара в растворе.

В данной лабораторной работе исследуются прозрачные жидкости. Пучок дневного света или света лампы накаливания направляют с помощью зеркала (3) на боковую грань вспомогательной призмы (2). Лучи, прошедшие через эту призму, падают на ее гипотенузную матовую грань и, претерпевая диффузное отражение, рассеиваются под всевозможными углами, попадая на тонкий слой исследуемой жидкости, находящейся между призмами. Пройдя через слой жидкости, лучи достигают полированной поверхности гипотенузной грани основной призмы (1), где происходит их преломление. Показатель преломления исследуемой жидкости n должен быть меньше показателя преломления основной призмы n₀:(n<n₀), поэтому углы преломления всех лучей, падающих на границу раздела жидкости и основной призмы меньше соответствующих им углов падения. Для лучей скользящих по границе раздела жидкость-полированная грань призмы (1), то есть падающих под углом 90^о, угол преломления будет равен предельному углу полного внутреннего отражения. Лучей, чей угол преломления больше предельного угла, просто не будет и поэтому в окуляре мы видим темноту.

На рисунке 5 показано образование, наблюдаемой в окуляр, границы света и тени. Положение границы определяется величиной предельного угла полного внутреннего отражения, который зависит от величины коэффициента преломления исследуемой жидкости.

Рис.5. Образование границы светотени в рефрактометре.