Fotonová záření, optika a Fotonová záření, optika a stanovení barvy potravinstanovení barvy potravin

Teze přednáškyTeze přednášky

Fotonová zářeníFotonová záření

• světlo je příčné elektromagnetické vlnění tvořené elektrickým i magnetickým polem

• vektory intenzit jsou kolmé na směr šíření

• pole jsou proměnná, světlo je kvantováno

• rozdělení dle vlnové délky, frekvence vlnění a energie fotonů

Původ světlaPůvod světla

• jaderná syntéza lehkých jader na povrchu Slunce – čárové spektrum

• po průchodu chromosférou spojité spektrum

• atmosféra Země absorbuje některé vlnové délky a celkově klesá intenzita na 27 %

(difuzní rozptyl světla 25 %, oblaka 33 %,

vodní páry CO2, O3 atd. 15 %)

SVĚTLO JE ZÁKLADNÍ ZDROJ ENERGIESVĚTLO JE ZÁKLADNÍ ZDROJ ENERGIE

hfhf

6 CO6 CO2 2 + 6 H+ 6 H22O O ==>==> C C66HH1212OO66 + 6 O + 6 O2 2

E = hf E = hf => => ΔΔH H = + 2,81 . 10= + 2,81 . 103 3 kJ mol kJ mol-1-1

Vlnová délka Vlnová délka λλ (nm) (nm)

Světelný tok Světelný tok ΦΦ lumen (lm) množství světla vyzářené prostorově lumen (lm) množství světla vyzářené prostorově

Intenzita osvětlení I lux (lx) I = Intenzita osvětlení I lux (lx) I = ΦΦ . S . S-1 -1 (lm . m(lm . m-2-2))

Měrný světelný výkon Měrný světelný výkon ηη lumen/watlumen/wat (lm . W (lm . W-1-1) ) - účinnost přeměny elektrické energie na světelnou- účinnost přeměny elektrické energie na světelnou

Úbytek intenzity osvětlení I s hloubkou

Tropy hladina v poledne 15000 lux30 cm hloubka pouze 1000 lux

Hladina v 15 h 1500 luxHloubka 10 cm 700 lux 20 cm 600 lux 30 cm 450 lux 40 cm 120 lux

Absorpce světla vodou je exponenciální

I = I0 e-α x

α … absorpční koeficientx ….síla vrstvy (hloubka vody)

Intenzita osvětlení klesá se čtvercemvzdálenosti od zdroje světla !

Index podání barev Ra míra souhlasu podání barvy s optimálním zdrojem A 90 – 100% souhlas B 80 – 89% souhlas

Teplota chromatičnosti T (K) zvýšíli se teplota „absolutně černého tělesa“ zvýší se podíl modré a sníží podíl červené žárovka 2700 K

Barva světla teple bílá pod 3300 K neutrální bílá 3300 K – 5000 K denní bílá nad 5000 K denní světlo 5000 K – 10000 K podle počasí a denní doby

Katalog Osram

40 W 430 lm 6 cm

(Měrný světelný výkon 10 - 20 lm W-1)

LINEÁRNÍ ZÁŘIVKY

Katalog Osram

36 W 3 350 lm 120 cm

36 W 1 400 lm 120 cm

(Měrný světelný výkon 50 - 100 lm . W-1)

LINEÁRNÍ ZÁŘIVKY

36 W 3350 lm 120 cm

Žlutě zabarvený odstín,teplota chromatičnosti shodná se žárovkou

Katalog Osram

Katalog Osram

KOMPAKTNÍ ZÁŘIVKY

3500 K

3800 K3000 K

(Měrný světelný výkon 40 - 85 lm . W-1)

2 x 20 W 2400 lm 2 x 15 cm

Katalog Osram

VÝBOJKY

VYSOKOTLAKÉ SODÍKOVÉ

NEJMENŠÍ VÝKON150 W 12000 lm 9 cm

(36 W 2880 lm )

VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉS LUMINOFOREM

250 W 11500 lm 26 cm

(36W 1660 lm )

(Měrný světelný výkon 6 – 130 lm W-1)

Lineární zářivky T5Lineární zářivky T5• Průměr 16 mm (T8 26 mm)• o 40 % úspora el. energie

proti T8• Vysoká svítivost

• 24 W 54,9 cm 39 W 84,9 cm 54 W 114,9 cm 80 W 144,9 cm

145 cm 80 W145 cm 80 W

AQUA MEDIC

REFLEKTORYREFLEKTORY

• nejvýhodnější tvar je parabola, kdy zářivka leží v ohnisku (T5 je vhodnější jak T8)

• to zajišťuje maximální podíl světla dopadající kolmo na plochu (omezuje odraz)

• 80 – 250 % navýšení intenzity (TROCAL – de Luxe Special-Plant DENNERLE

T8 15 W hloubka 50 cm 380 → 900 lx )

Fotobiologické zákonyFotobiologické zákony

1. Pro fotochemický děj je účinné jen to záření, které je absorbováno (zákon Grotthusův)

2. Mezi množstvím fotochemicky přeměněné látky a množstvím absorbovaného záření existuje kvantitativní vztah. (zákon Draperův)

Fotobiologické zákonyFotobiologické zákony

3. Na jednu absorbující molekulu připadá jedno světelné kvantum, které provede její fotochemickou přeměnu. To platí jen pro primární fotochemický děj, ne pro další druhotné děje. (zákon fotochemické ekvivalence Stark, Einstein)

4. Pro fotobiologický účinek má význam jen součin intenzity a doby záření, nikoliv však vzájemný poměr mezi intenzitou a dobou. Protože tkáně nejsou stacionárním modelem, pak vlivem biochemických procesů se může účinek modifikovat. (zákon Bunsenův - Roscoeův)

UV a IF zářeníUV a IF záření

Infračervené zářeníInfračervené záření • Všechna tři pásma IR záření mají účinky tepelné.

IR-A (Pásmo krátkovlnné, 760-1 400 nm) je obsaženo ve slunečním světle. Prochází sklem a je málo absorbováno vodou.

IR-B (pásmo střední 1 400-3 000 nm) vyzařují žárovky a výbojky. Prochází sklem, ale je silně pohlcováno vodou.

IR-C (pásmo vzdálené nad 3 000 nm) zdrojem záření jsou topná tělesa. Je pohlcováno jak sklem tak vodou.

• Dlouhodobá expozice očí IR zářením u některých profesí (foukači skla, slévači, hutnící) vedla v minulosti často ke vzniku tzv. žárové katarakty, což je zákal oční čočky vyvolaný tepelnými účinky.

Ultrafialové zářeníUltrafialové záření

• UV A 400 - 315 nm, blízké pásmo

fotometrie – kyvety z křemenného skla

• UV B 315 – 280 nm, střední pásmo

vitamin D, zhoubný melanom

• UV C kratší než 280 nm, vzdálené pásmo

Ozónová vrstva atmosféry, germicidní výbojky, pod 100 nm a nad 10 eV ionizační schopnost.

Vitamín DVitamín D

• Vzniká z provitaminu D• řídí metabolismus Ca a P, jeho nedostatek způsobuje

křivici (rachitis) • 1000 IU na den = oslunění - obličej + paže 2-3 x týdně

v létě v poledne asi 5 minut • Dlouhodobé podávání vitamínu D nenahradí UV

záření !• 290 – 300 nm 60 % tvorby vitamínu D

Účinky ultrafialového zářeníÚčinky ultrafialového záření

• Erytém• Šedý zákal • UV-C o vlnových délkách pod 280 nm má

výrazné baktericidní účinky. sterilizace mikrobiologických a virologických boxů, operačních sálů apod.

OPTIKAOPTIKA

• Geometrická – paprsková

• Fyzikální – vlnová

• Kvantová

Zákony geometrické optikyZákony geometrické optiky

1. přímočarého šíření světla

2. vzájemné nezávislosti a záměnnosti chodu paprsků

3. odrazu světla

4. lomu světla

ZrcadlaZrcadla

• rovinná (jediný optický přístroj bez vad)

• konkávní (dutá)

• konvexní (vypuklá)

Snellův zákon lomu světlaSnellův zákon lomu světla

sin α v1 n2

---------- = ------- = -------

sin ß v2 n1

Lom a odraz světlaLom a odraz světla

• ke kolmici n1 < n2 od kolmice n1 > n2

• mezný úhel – úhel dopadu při kterém je úhel lomu 90o

• totální reflexe

• vláknová optika n1 > n2

n2

n2

n2

n1

.

.

.. .

.

...

.

..

. .vlákno

obal

ČočkyČočky

• optický prvek ve kterém dochází k vícenásobnému lomu světla

• spojky, rozptylky• optická mohutnost – převrácená hodnota

ohniskové vzdálenosti - [D] dioptrie

soustava čoček o vzdálenosti v

v = 0 pak D = ∑ Di

v ≠ 0 D = D1 + D2 - D1 D2 v

Optické vady čočekOptické vady čoček

• sférická (kulová) korekce – aplanát

• chromatická (barevná) korekce – achromát u více barev apochromát

• astigmatická korekce - anastigma

Optický hranolOptický hranol

• dvojlom polychromatického světla vede k rozkladu na spojité spektrum jednotlivých vlnových délek – monochromátor

• Litrowův hranol – kompenzace vlivu dvojlomu (jedna stěna představuje zrcadlo)

Fyzikální (vlnová) optikaFyzikální (vlnová) optika

• difrakce (ohyb) a interference světla• narazí-li světlo na překážku, jejíž velikost je

řádově srovnatelná s jeho vlnovou délkou, přestává platit zákon přímočarého šíření světla

• Hugensův princip – každý bod vlnoplochy lze považovat za nový zdroj vlnění z něhož se šíří elementární vlnoplochy. Novou vlnoplochou je v libovolném čase obalová plocha těchto elementárních vlnoploch.

Fyzikální (vlnová) optikaFyzikální (vlnová) optika

• koherentní jsou světelná vlnění stejné vlnové délky, jejichž fázový rozdíl se s časem nemění.

Optická mřížkaOptická mřížka

• podmínka maxima k . λ sin α = -------- bb mřížková konstanta k řád maxima λ vlnová délka

MikroskopMikroskop

úhlové zvětšení mikroskopu Δ d γ = ----- . ------

f1 f2

ddd

d konvenční zraková vzdálenost Δ optický interval (vzdálenost ohnisek)

Rozlišovací schopnostRozlišovací schopnost

• minimální vzdálenost dvou bodů, které ještě dokážeme rozlišit

λ

d = -------------

n . sin α

Numerická apertura NA = n . sin α

AAbbsorsorppce světlace světla

• Lambert – Beerův zákon

I = Io . e-α.c.l

α molární absorpční koeficient

c koncentrace l síla vrstvy

A = α . c . lα molární dekadický absorpční koeficient

A absorbance (syn. Extinkce E)

Polarizace světlaPolarizace světla

• polarizované světlo kmitá pouze v jedné rovině

• polarizace odrazem

• polarizace dvojlomem

• polarimetrie

• opticky aktivní látky

Optická spektraOptická spektra

• emisní

• absorpční

• čarová

• pásová

• spojitá

• spektrální analýza – spektroskop

• AAS – atomová absorpční spektrometrie

Kvantová optika - LASERKvantová optika - LASER• Zesílení světla stimulovanou emisí záření.

• dodáním energie excitovaný stav

• shromažďování elektronů na metastabilních hladinách

• současnou deexcitací vznik koherentního záření

• interference mezi zrcadly

• záření je diskontinuální s vysokou frekvencí

SPEKTRÁLNÍ SPEKTRÁLNÍ STANOVENÍ BARVY STANOVENÍ BARVY

PEVNÝCH LÁTEKPEVNÝCH LÁTEK

Měření barvy Měření barvy

Barva Barva = fyzikální interakce světla s hmotou, která je pozorována lidským okem a interpretována mozkem

• barva je vnímána individuálně• psychologický fenomén, který

závisí na pozorovateli• chudá barevná paměť člověka

• visuální hodnocení nemůže poskytnou přesné stanovení barvy

• navzdory subjektivnímu vnímání lze barvy objektivněobjektivně srovnávat => monitorování barevných změn pomocí přístrojů zaznamenávající odraz, příp. absorpci, včetně definice standardních podmínek měření

• Kolorita Kolorita je určena– spektrální složením záření zdroje– spektrální odrazností nebo propustností hmoty a

má za následek– změnu spektrálního složení záření– změnu intenzity záření– termín představuje objektivní stanovení přístroji

• Vjem barvyVjem barvy se liší– chemickými a fyzikálními vlastnostmi hmoty– kvalitou a intenzitou záření zdroje– konkrétním pozorovatelem

CIELABCIELAB• The Commission Internationale de l

´Eclairage vyvinula rovnoměrnou kolorimetrickou soustavu L*a*b*, v níž stejně subjektivně vnímaným rozdílům vjemu barvy odpovídají stejné vzdálenosti a naopak.

• Důležitý aspekt barevné soustavy vychází z jeho nezávislosti, a proto je objektivní

Systém CIELAB transformuje reflektanci do kolorimetrické trichromatické soustavy tím, že integruje spektrum předmětu s funkcemi pozorovatele a se spektrálním zářením zdroje

• zdrojzdroj se nejčastěji používá denní světlo D65

• standardní úhel pozorovatelestandardní úhel pozorovatele– 2° pro podmínky přísně foveálního vidění– 10° pro pozorování pod větším úhlem

Sférická geometrie d/8°Sférická geometrie d/8°

Superchroma S-Spin Superchroma S-Spex

Vyjádření kolority - číselné Vyjádření kolority - číselné charakteristiky barvy charakteristiky barvy

předmětu - pomocí adičního předmětu - pomocí adičního mísení tří vhodně zvolených mísení tří vhodně zvolených barevných podnětů soustavybarevných podnětů soustavy

Množství těchto měrných Množství těchto měrných podnětů je měřítkem, jímž lze podnětů je měřítkem, jímž lze charakterizovat danou barvucharakterizovat danou barvu

Kolorimetrická soustava CIELABKolorimetrická soustava CIELAB

Horizontální řez soustavou CIELABHorizontální řez soustavou CIELAB

Měrná světlost L*Měrná světlost L*

Superchroma S-SpexSuperchroma S-Spex