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2.1: 光的特性

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    200296

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    学习目标

    • 识别和定义显微镜中使用的电磁辐射 (EMR) 的特性
    • 解释显微镜中如何使用镜头来控制可见光和紫外线（UV）光

    临床重点：第一部分

    辛迪是一名17岁的夏令营辅导员，两周前在打篮球时摔断了膝盖。 当时，她认为只有轻微的磨损才能愈合，就像之前的许多其他磨损一样。 相反，伤口开始看起来像昆虫叮咬，并继续变得越来越疼痛和肿胀。

    营地护士检查病变，观察到大量脓液从表面渗出。 由于担心辛迪可能出现了潜在的侵袭性感染，她擦拭伤口，从感染部位采集样本。 然后她清理脓液并修好伤口，指示辛迪保持该区域的清洁，第二天再回来。 辛迪离开后，护士将样本送到最近的医疗实验室在显微镜下进行分析。

    练习\(\PageIndex{1}\)

    通过在显微镜下观察这些细菌，我们可以学到哪些关于它们的知识？

    可见光由行为类似于其他波浪的电磁波组成。 因此，与显微镜相关的许多光特性可以从光作为波浪的行为来理解。 光波的一个重要特性是波长，即波浪的一个峰值与下一个峰值之间的距离。 每个峰的高度（或每个波谷的深度）称为振幅。 相比之下，波浪的频率是波浪的振动速率或指定时间段内的波长数量（图\(\PageIndex{1}\)）。

    图 a 显示了一条波浪线，上下波浪均匀地重复。 穿过波浪线中心的直线表示波浪的底部。 从一个波峰到另一个波峰的距离就是波长。 从基线到波峰的距离或从基线到波浪波谷的距离称为振幅。 图 b 显示了三个波浪，底部标有单位时间。 顶线的波浪分散得很广。 波长较宽的波具有低频率。 底线有紧密相连的波浪。 波长较窄的波具有较高的频率。 中间线具有中等波长，因此是中频率。
    图\(\PageIndex{1}\)：(a) 振幅是波浪的高度，而波长是指一个峰值与下一个峰值之间的距离。 (b) 这些波的频率或振动速率不同。 顶部的波浪具有最低的频率，因为它在单位时间内的峰值最少。 底部的波浪频率最高。

    光的相互作用

    光波通过反射、吸收或透射与材料相互作用。 当波浪从材质上反弹时，就会发生反射。 例如，一块红色的布可能会将红光反射到我们的眼睛，同时吸收其他颜色的光。 当材料捕获光波的能量时，就会产生吸收力。 对于在黑暗中发光的塑料，来自光的能量可以被吸收，然后作为另一种形式的磷光重新发射。 当波浪穿过材料时，就会发生传输，例如光穿过玻璃（传输过程称为透射率）。 当一种材质允许很大比例的光线透过时，它之所以这样做，是因为它更薄，或者更透明（透明度更高，不透明度更低）。 该图\(\PageIndex{2}\)说明了透明度与不透明度之间的区别。

    图 a 显示了一个人戴着手套的双手拿着带盖的透明盘子的尖端。 盘子的底部含有一种带红色的材料。 图 b 显示了一个人手中的一块金属。 材质是深色的，有一些有光泽的区域。
    图\(\PageIndex{2}\)：(a) 培养皿由透明塑料或玻璃制成，可以透射高比例的光。 这种透明度使我们能够透过盘子的侧面看到里面的东西。 (b) 这片铁陨石是不透明的（即它有不透明度）。 光线不会透过材料，因此无法看到被物体覆盖的手部部分。 （来源 a：翁贝托·萨尔瓦宁对作品的修改；来源 b：“Waifer X” /Flickr 对作品的修改）

    光波还可以通过干扰相互作用，从而形成复杂的运动模式。 将两个鹅卵石丢入水坑会导致水坑表面的波浪相互作用，从而形成复杂的干扰模式。 光波可以以相同的方式相互作用。

    除了相互干扰外，光波还可以通过弯曲或散射与小物体或开口相互作用。 这称为衍射。 当物体相对于光的波长（光波的两个连续峰值之间的距离）较小时，衍射会更大。 通常，当波浪在障碍物或开口周围向不同的方向衍射时，它们会相互干扰。

    练习\(\PageIndex{2}\)

    1. 如果光波的波长很长，它可能是低频还是高频？
    2. 如果物体是透明的，它会反射、吸收还是透射光？

    镜头和折射

    在显微镜的背景下，折射可能是光波表现出的最重要的行为。 当光波进入新介质时改变方向时，就会发生折射（图\(\PageIndex{3}\)）。 不同的透明材料以不同的速度传输光线；因此，光从一种材料传递到另一种材料时会改变速度。 速度的这种变化通常还会导致方向的改变（折射），变化的程度取决于入射光的角度。

    图 a 显示了一束光束瞄准一块玻璃。 当光束击中透明玻璃材料时，它会弯曲大约 45°。 这种弯曲的光线是折射的光线。 玻璃所处的不透明材料没有任何光线透过。 图 b 显示了一个标有入射射线的箭头，该箭头指向阴影区域向下 45° 角。 在入射光线到达阴影区域时，另外两支箭开始。 其中一个箭头指向与入射光线 90° 角（远离阴影区域），是反射射线。 第二支箭头继续穿过阴影区域，但与入射光线的角度稍微弯曲。 第二个箭头是反射光线。
    图\(\PageIndex{3}\)：(a) 当光线从一种介质（例如空气）传递到另一种介质（例如玻璃），从而改变光线的方向时，就会发生折射。 (b) 如图所示，从一种介质传递到另一种介质的光线可能会被折射或反射。 （来源 a：“ajizai” /Wikimedia Commons 对作品的修改）。

    材料相对于空白空间降低传输速度的程度称为该材料的折射率。 当光线从一种材料传递到另一种材料时，两种材质折射率之间的巨大差异将导致大量折射。 例如，光线在水中的移动速度比在空气中移动的速度慢得多，因此从空气进入水中的光可以大大改变方向。 我们说水的折射率高于空气（图\(\PageIndex{4}\)）。

    一张照片显示一根杆子被放入水中。 杆子看起来像是在碰到水的地方弯曲的。
    图\(\PageIndex{4}\)：这根直杆进入水中时似乎会弯曲成一定角度。 这种错觉是由于空气和水的折射率之间的巨大差异造成的。

    当光线穿过边界进入折射率较高的材料时，其方向会变得更接近于垂直于边界（即更接近于该边界的法线；图\(\PageIndex{5}\)）。 这就是镜头背后的原理。 我们可以将镜头看作是一个具有弯曲边界（或棱镜集合）的物体，它收集所有照射它的光线并对其进行折射，从而使所有镜头在称为图像点（焦点）的单个点相遇。 凸透镜可用于放大，因为它可以比人眼更近的聚焦，从而产生更大的图像。 凹透镜和反射镜也可以在显微镜中用于重定向光路。 图中\(\PageIndex{5}\)显示了凸面和凹面镜头的焦点（光线平行进入镜头时的图像点）和焦距（与焦点的距离）。

    图 a（棱镜）显示了一个透明的金字塔，光线进入一个表面。 离开另一个表面的光是弯曲的，是折射的光。 虚线表示原始光束如果不弯曲本应走的路径。 虚线上方的区域被标记为高折射率；线下方的区域被标记为低折射率。 图 b（凸透镜）显示了中心有凸起的镜头。 光线进入穹顶的两侧，聚焦到镜头后与穹顶中心对齐的点。 光线聚焦的点是焦点；从焦点到镜头中心的距离是焦距。 图 c（凹透镜）显示了两侧向内弯曲的镜头。 进入该镜头的光线向外弯曲，远离镜头曲线的中心。 虚线显示每个弯曲光束的向后线性路径。 所有虚线的交汇点（在镜头的另一边）是焦点。
    图\(\PageIndex{5}\)：(a) 镜头就像一组棱镜，如图所示。 (b) 当光线穿过凸透镜时，它会向镜头另一侧的焦点折射。 焦距是到焦点的距离。 (c) 穿过凹透镜的光线会从镜头前方的焦点折射出来。

    人眼包含一个镜头，使我们能够看到图像。 该镜头将眼前物体反射的光线聚焦到视网膜表面，视网膜表面就像眼睛后部的屏幕。 放置在眼前的人造镜片（隐形眼镜、眼镜或显微镜片）在光线被眼睛的镜头（再次）聚焦之前对光进行聚焦，操纵最终出现在视网膜上的图像（例如，使它看起来更大）。

    图像通常是通过控制物体、镜头和屏幕之间的距离以及镜头的曲率来操纵的。 例如，对于给定的曲率，当物体离镜头更近时，焦点离镜头更远。 因此，通常需要操纵这些距离才能在屏幕上创建聚焦图像。 同样，当图像聚焦时，曲率越大，图像点越靠近镜头，图像越大。 该属性通常用焦距或到焦点的距离来描述。

    练习\(\PageIndex{3}\)

    1. 解释镜头如何将光线聚焦在图像点。
    2. 列举一些影响镜头焦距的因素。

    电磁频谱和颜色

    可见光只是电磁辐射（EMR）的一种形式，一种存在于我们周围的能量。 其他形式的 EMR 包括微波炉、X 射线和无线电波等。 不同类型的 EMR 属于电磁频谱，电磁频谱是根据波长和频率定义的。 可见光光谱在红外光和紫外光之间占据的频率范围相对较小（图\(\PageIndex{6}\)）。

    一系列刻度表明图像在左侧显示最低波长（10 上标 -18 m），在右侧显示最高波长（10 上标 6 m）。 频率范围从左边的超过 10 个上标 24 Hz 到右边的 1 Hz 不等。 能量范围从左边的 10 上标 12 ev 到右边的 10 上标 -12 不等。 这些标尺上方列出的辐射类型（从左到右）是：宇宙辐射、伽玛射线、X 射线、紫外线、可见光、红外、太赫兹辐射、雷达、电视和无线电广播以及交流电路。 光谱的可见光部分被拉出，在 400 nm 处显示蓝光，500 nm 处显示绿光，600 nm 处显示黄光，700 nm 处显示红光。
    图\(\PageIndex{6}\)：电磁频谱范围从高频伽玛射线到低频无线电波。 可见光是人眼可以感知的相对较小的电磁频率范围。 在电磁频谱上，可见光介于紫外线和红外光之间。 （来源：约翰内斯·阿尔曼对作品的修改）。

    波长表示光波相邻峰值之间的距离，而在简化的定义中，频率代表振荡速率。 频率较高的波长较短，因此，与低频波相比，单位时间内的振荡次数更多。 高频波也比低频波含有更多的能量。 这种能量以称为光子的基本粒子形式传递。 较高频率的波比低频波提供更多的能量光子。

    具有不同能量的光子与视网膜的相互作用不同。 在可见光光谱中，每种颜色对应于特定的频率和波长（图\(\PageIndex{6}\)）。可见光的最低频率显示为红色，而最高频率显示为紫罗兰色。 当视网膜接收许多不同频率的可见光时，我们会将其视为白光。 但是，可以使用折射将白光分成其分量颜色。 如果我们将白光穿过棱镜，不同的颜色会向不同的方向折射，从而在棱镜后面的屏幕上产生彩虹般的光谱。 这种颜色分离称为色散，之所以发生这种分离，是因为对于给定的材料，不同频率的光的折射率是不同的。

    某些材料可以折射不可见形式的 EMR，实际上将其转化为可见光。 例如，某些荧光染料会吸收紫外线或蓝光，然后利用这些能量发射不同颜色的光子，发出光而不是简单地振动。 之所以发生这种情况，是因为能量吸收会使电子跳到更高的能量状态，之后它们几乎立即回落到基态，以光子的形式发射特定数量的能量。 并非所有能量都是在给定的光子中发射的，因此发射的光子的能量将比吸收的光子更低，因此频率也更低。 因此，像德克萨斯红这样的染料可能会被蓝光激发，但会发出红光；或者像异硫氰酸荧光素（FITC）这样的染料可能会吸收（不可见的）高能紫外线并发出绿光（图\(\PageIndex{7}\)）。 在某些材料中，光子可能会在吸收后延迟一段时间后发射；在这种情况下，该过程称为磷光。 黑暗中发光塑料使用磷光材料起作用。

    图像在前景中显示了一个大单元格，在背景中显示了其他单元格。 每个细胞都有不规则的形状，中间有一个大的蓝色圆圈。 绿线环绕蓝色圆圈，向单元格边缘延伸。 细胞的其余部分为红色，边缘为鲜红色。 图像的背景是黑色的。
    图\(\PageIndex{7}\)：这些牛肺动脉内皮细胞吸收的荧光染料在荧光显微镜下被紫外线激发时会发出鲜艳的色彩。 不同的细胞结构吸收不同的染料。 细胞核用 4',6-二氨基-2-苯基吲哚染成蓝色；微管被与 FITC 结合的抗体标记为绿色；肌动蛋白丝被标记为红色，phalloidin 与四甲基罗丹明（TRITC）结合。

    练习\(\PageIndex{4}\)

    1. 哪个频率更高：红灯还是绿光？
    2. 解释为什么白光穿过棱镜时会出现色散。
    3. 为什么荧光染料发出的光与吸收的光颜色不同？

    放大率、分辨率和对比度

    显微镜放大图像并利用光的特性来创建有用的小物体图像。 放大倍率的定义是镜头与真实物体相比放大物体图像的能力。 例如，放大倍率为 10 倍意味着图像看起来是用肉眼观察的物体大小的 10 倍。

    更大的放大倍率通常会提高我们看到小物体细节的能力，但光靠放大倍率不足以制作最有用的图像。 提高物体的分辨率通常很有用：能够分辨出两个单独的点或物体是分开的。 低分辨率图像看起来模糊，而高分辨率图像看起来很清晰。 有两个因素影响分辨率。 第一个是波长。 较短的波长能够分辨较小的物体；因此，电子显微镜的分辨率比光学显微镜高得多，因为它使用波长非常短的电子束，而不是光学显微镜使用的长波长可见光。 影响分辨率的第二个因素是数值孔径，它是衡量镜头聚光能力的指标。 数值孔径越高，分辨率越高。

    即使显微镜具有高分辨率，也很难区分许多标本中的小结构，因为微生物相对透明。 通常需要增加对比度才能检测样本中的不同结构。 各种类型的显微镜使用不同的光或电子特征来增加样品各部分之间的对比度——可见差异（参见显微镜仪器）。 此外，与某些结构结合但不结合其他结构的染料可用于改善相对透明物体的图像之间的对比度（参见染色显微标本）。

    练习\(\PageIndex{5}\)

    1. 解释放大倍率和分辨率之间的区别。
    2. 解释分辨率和对比度之间的区别。
    3. 列举影响分辨率的两个因素。

    关键概念和摘要

    • 与材料相互作用的光波可能会被反射、吸收或透射，具体取决于材料的特性。
    • 光波可以相互作用（干扰），也可以因与小物体或开口的相互作用而失真（衍射）。
    • 当光波从一种介质传递到另一种介质时改变速度和方向时，就会发生折射。 两种材质折射率的差异决定了光从一种材料传递到另一种材料时方向变化的幅度。
    • 镜头是一种具有弯曲表面的介质，可折射和聚焦光线以生成图像。
    • 可见光是电磁频谱的一部分；不同频率和波长的光波被人眼区分为颜色。
    • 棱镜可以分离白光的颜色（色散），因为不同频率的光对给定材料具有不同的折射率。
    • 荧光染料和磷光材料可以有效地将不可见的电磁辐射转化为可见光。
    • 显微镜的功率可以用其放大倍率和分辨率来描述。
    • 可以通过缩短波长、增加镜头的数值孔径或使用增强对比度的污渍来提高分辨率。

    词汇表

    吸光度
    当分子从光子中捕获能量并使用能量振动或伸展时
    丰富
    波浪的高度
    对比
    显微标本各部分之间的明显差异
    衍射
    当光波与开口或屏障相互作用时发生的方向变化（弯曲或扩散）
    分散
    由于折射程度不同，不同频率的光被分离
    发荧光的
    某些材料吸收能量然后立即以光的形式释放能量的能力
    焦距
    当物体与镜头有一定距离时，从镜头到图像点的距离（这也是到焦点的距离）
    焦点
    镜头的一个属性；光线进入镜头时的图像点是平行的（即物体与镜头的距离是无限远）
    频率
    光波或其他电磁波的振动速率
    图像点（焦点）
    镜头的属性以及物体与镜头的距离；图像聚焦的点（图像点通常称为焦点）
    干扰
    由于与另一个波的相互作用而导致的光波失真
    放大
    显微镜（或镜头）生成看起来比实际样本大的图像的功率，以实际尺寸的系数表示
    数值孔径
    衡量镜头聚光能力的指标
    不透明度
    吸收或阻挡光的特性
    磷光
    某些材料吸收能量然后在延迟后将能量作为光释放的能力
    反射
    当光线从表面反射回来时
    折射
    光波的弯曲，当光波从一种介质传递到另一种介质时会发生这种情况
    折射率
    衡量特定介质使光波减速的幅度
    决议
    区分图像中两个点的能力
    透射比
    穿过介质的光量
    透明度
    允许光线穿过的特性
    波长
    波浪的一个峰值与下一个峰值之间的距离