Технологии Оптика. Физика спектра

[Абармотик]

Дифракционный предел.
Увы, не все мы можем увидеть... Например, рассмотреть молекулу ДНК не получится, хотя многим хотелось бы. Но есть хитрый способ увидеть невидимое.

Почему и как

В микроскопии существует фундаментальное ограничение на размер объектов, которые можно разглядеть в оптический микроскоп: их линейные размеры должны быть больше половины длины волны света, в котором мы их рассматриваем. Длина волны видимого света составляет порядка 500 нанометров, и поэтому объекты размером меньше 200-250 нанометров являются для оптической микроскопии принципиально неразличимыми.

Однако есть весьма остроумный трюк, посредством которого можно заглянуть слегка за дифракционный предел. Дело в том, что длина волны света в вакууме и веществе различается: если точнее, в веществе свет как бы немного сжимается: его длина волны становится равной длине волны в вакууме делить на показатель преломления среды. К примеру, в среде с показателем преломления в 1,5 свет с длиной волны в 500 нанометров превращается в свет с длиной волны в 330 нанометров, а половина длины его волны, то есть, дифракционный предел, составит около 150-160 нанометров, и объекты такого размера, помещённые в данную среду, становятся видимыми.

На этом принципе основана работа так называемых иммерсионных микроскопов: объект помещают в прозрачную жидкость с высоким показателем преломления, например, специальные иммерсионные масла, для которых он составляет 1,7, и получаем ощутимый выигрыш в разрешающей способности!

Увы, этого всё ещё недостаточно для того, чтобы мочь рассмотреть многие объекты, которые нам желательно было бы уметь видеть в оптический микроскоп: вирусы, крупные белковые молекулы, мелкие электронные компоненты обладают размерами, которые меньше даже этого расширенного дифракционного предела, и для того, чтобы сделать видимыми их, приходится идти на более серьёзные ухищрения.

Разработаны на сегодня и радиоволновые микроскопы, которые отражают на сенсор электромагнитную волну из радиактивного диаппазона
Длинна волны радиации начинается с 10 в минус 10й степени метров (и меньше). Но не все можно облучать такими частотами.
Если "свет" (например гамма излучения) имеет длинну волны в 10 в минус 3й нанометров, значит рассмотреть, при помощи такого излучения, можно объекты размерами в половину пико метра.
( 1000 pm = 1 nm = 0,000 000 001 m ;
1000 000 000 nm = 1m )

 

[Абармотик]

Метерологическое явление Гало

На днях оно было в ночном небе над Норвегией, хорошо были видны два кольца гало и даже паргелический круг, проходящий через центр Луны параллельно горизонту. Такие детали нечасто бывают видны даже в солнечных гало, а уж в лунных - и вовсе редкость.

Подробнее

Гало - это результат преломления света в кристаллах льда, висящих в воздухе. Радужная окраска гало - результат дисперсии (то есть, зависимости угла преломления от длины волны - вы видели это посредством эффекта радуги). Это как бы аналог радуги, но наоборот: радуга возникает в отражённом свете (когда Солнце у нас за спиной), а гало - в прямом (когда светило перед нами, прямой свет, проходя через преломление по пути к вашим глязам). Ну и вместо капель воды преломление происходит в кристаллах льда.

Гало часто можно перепутать с венцами - результатом дифракции света на мелких ледяных кристалла.
(что такое дифракция >> тут).
Тут явно не этот случай: при дифракции кольца окрашены наоборот: красноватые цвета расположены дальше от центра, синие - ближе к нему. Ну и паргелических кругов при дифракции не возникает.

 

[Абармотик]

Что такое фата - моргана:

Это редко встречающееся сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей. При этом отдалённые объекты видны многократно и с разнообразными искажениями.

Подробнее

Явление возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоёв воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. У тёплого воздуха показатель преломления света меньше, у холодного — больше. В таком атмосферном «пироге» образуется преломляющая линза, которая создаёт серию проекций.
В результате отражения и преломления лучей реально существующие объекты дают на горизонте или над ним по нескольку искажённых изображений, частично накладывающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени.
В воздухе могут появляться различные призрачные объекты: горы, острова, здания, мосты, оазисы, корабли.

 

[Абармотик]

Что такое Каустика:

Световые эффекты, возникающие при прохождении света через искривлённые поверхности или отражение от них называются каустиками.

Кстати,.. О радуге:

Да, кстати, радуга - тоже каустика, возникающая при прохождении света через капельки воды в атмосфере, а точнее, внутреннего отражения света от них.

 

[Абармотик]

Огненная радуга - редкое оптическое явление, наблюдаемое при прохождении солнечных лучей через перистые облака.

Подробнее

Если обычная радуга образуется за счёт дисперсии в водяных каплях отражённых солнечных лучей (солнце находится за спиной наблюдателя), то огненная радуга формируется в прямых (окрашенное облако находится между солнцем и наблюдателем). Дисперсия происходит не в сферических водяных каплях, а в шестигранных призмах кристалликов льда. При этом Солнце должно находиться выше 58 градусов над горизонтом. Другой вариант - наблюдатель явления должен находиться над поверхностью земли: чаще всего огненная радуга наблюдается в горах или с борта самолёта.

Кроме того, кристаллы льда в облаках должны иметь определённую ориентацию - они должны располагаться так, чтобы солнечный свет через боковую стенку кристалла, а выходил через нижнюю плоскую грань. Из-за этого данный эффект является достаточно редким: при других ориентациях кристаллов льда наблюдаются гало, паргелии и другие оптические эффекты.

 

[Абармотик]

Зодиакальный свет - необычный световой эффект, наблюдающийся вскоре после захода Солнца над местом, где оно зашло.

Подробнее

Это свечение не слишком яркое: наблюдать его лучше в ясную безлунную погоду и там, где отсутствует фоновое освещение (т.е. подальше от городов). Также наиболее ярко зодиакальное свечение видно в районах, близких к экватору.

Зодиакальным данное свечение называют потому, что в его зоне обычно расположено одно из 13 зодиакальных созвездий.

Причина этого проста: зодиакальный свет возникает из-за рассеяния солнечного света на частицах космической пыли в пространстве между Землёй и Солнцем; основная масса этой пыли лежит как раз в плоскости эклиптики (плоскости, в которой лежит орбита движения вокруг Солнца Земли и других планет). Там, где этой пыли больше всего (то есть, как раз в плоскости эклиптики), зодиакальное свечение наиболее ярко. По мере удаления от этого направления оно убывает.

 

[Абармотик]

Оптическое явление под названием Глория - редкий феномен, который иногда наблюдается в облаках.

Глория выглядит как яркий радужный круг с бесцветным светлым пятом в центре. Наблюдается он тогда, когда источник света (Солнце) находится чётко позади и лучше немного сверху наблюдающего, и поэтому часто часть глории закрыта тенью. Так что наблюдать глорию лучше всего в горах, а ещё лучше – с самолёта или вертолёта.

Подробнее

Глория имеет много общего с обычной радугой. Как и она - глория формируется в отражённом капельками воды свете. Но в то же время глория – это определённо не обычная радуга: если та представляет собой дугу с угловым размером в 42 градуса, то глория обладает куда меньшими угловыми размерами относительно наблюдателя (порядка 5-20 градусов), и поэтому наблюдается как полное кольцо.

Но почему в одних случаях, при освещении облаков расположенным за спиной наблюдателя солнцем, возникает радуга,.. а в других – глория? Ответить на этот вопрос не так уж и просто. Так классическая геометрическая оптика вообще не даёт ответа на этот вопрос: по её законам, никакой глории существовать не должно.

В научно-популярных статьях на тему (и даже в Википедии!) можно встретить объяснение, что глория, мол, образуется не в результате преломления, а в результате дифракции света на капельках воды. Однако в настоящее время эта теория опровергнута: показано, что условия для возникновения такой дифракции в облаке возникать не могут.

Популярным объяснением механизма возникновения глории является теория «проскальзывания» светового луча по поверхности капли. Мы не будем детально рассматривать эту довольно мудрёную теорию по одной простой причине: условия, необходимые для формирования глории по такому механизму, представляются довольно экзотическими. Так, для них необходимо, чтобы все капли в облаке были строго почти одного размера (около 10 микрон, =0,01 мм), что маловероятно.
Лично мне показалось интересным объяснение глории, предложенное А. Н. Невзоровым в статье "Явление глории и природа жидкокапельной фракции в холодных атмосферных облаках" (2007 год).

Идея Невзорова состоит в следующем. Если бы облака состояли не из воды с коэффициентом преломления 1,33, а из некоей другой жидкости с коэффициентом преломления около 1,8, то отражение и преломление света в каплях такой жидкости по "радужному" типу давало бы именно такую картину, которую мы наблюдаем при глории. Но ведь никакой загадочной жидкости в облаках нет, они состоят либо из воды, либо из льда, либо из смеси того и другого.

И вот здесь мы подходим к самому интересному. Дело в том, что даже в холодных (существенно ниже нуля) облаках, как выясняется, всё равно есть так называемая переохлаждённая вода. И свойства такой переохлаждённой воды оказываются достаточно необычными: например (по Невзорову) её плотность вдвое больше обычной воды (2,1 г/см3), а коэффициент преломления составляет… как раз-таки около 1,8!

Соответственно, теория Невзорова заключается в том, что глория – это по сути обычная радуга, но формирующаяся на необычных каплях тяжёлой переохлаждённой воды (которую он называет ещё А-водой). Добавлю, что совсем недавно (в сентябре 2020 года) работу об экзотических свойствах переохлаждённой воды опубликовали в журнале Science учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL). Так что теория Невзорова представляется интересной. И, возможно, скоро мы сможем строго разгадать загадку этого красивого явления.