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金相显微镜光学知识讲解

光波是一种横波,也有各种频率。其波形按强度的大小沿着传播方向成正弦波分布。


若光以速度V沿着OX方向传播,两峰之间的距离称作波长,用λ表示,波长随颜色有差异,即使同样颜色通过不同媒介后也会发生变化。光亮度取决于振动量的大小,用Y表示,其关系式如下:


Y=A sin 2π(t/T-x/λ)


λ=VT=V/F


ω=2π/T=2πF


式中:t——时间;x——相位;A——振幅决定光的强度;λ——波长;F——频率;ω——角频率决定光的颜色;V——速度;T——周期

光波通过透镜或在样品上反射常导致波阵面的推迟——它决定了光的相位。


光除了波动性外还具有明显的粒子性。光的波动和粒子两方面相互并存的性质称为光的波粒二相性。


具有单一频率的光称为单色光。光源中一个分子在某一瞬时所发出的光具有特定的频率,原本是单色性的。但是,光源中有大量分子或原子,所发出的光具有各种不同频率,这种由各种频率复合起来的光称为复色光(如太阳光、白炽灯光等)。但复色光通过三棱镜时,由于各种频率的光在玻璃中的传播速度各不相同,折射率也不同,致使复色光中各种不同频率的光将按不同的折射角分开,成为一个色散的光谱,像彩虹一样按照波长(频率)排列分布。

光的反射和折射


根据光具有波动性和粒子性的特点,可以分别用物理光学和几何光学两部分理论来描述光的特性和传播方式。在显微镜中几何光学应用较多,从最简单的棱镜、透镜等零部件到多功能的大型金相显微镜,整体都是根据几何光学定律设计的。


1、几何光学基本定律


光线在各向同性的均匀介质中是直线传播的。


在各向同性的均匀介质中,两条光线相交,在相交后可继续传播,而互不影响。


光线射在不同介质面上,其方向发生改变,遵守折射定律和反射定律。


2、光的反射定律


反射光线与入射光线和法线都在同一个平面上,且它们分别在法线的两边。


出射的反射角θ′等于入射角θ,即θ=θ′


3、光的折射定律


折射光线与入射光线和法线都在同一个平面上,且它们分别在法线的两边,见图5-4。


光在不同介质中的传播速度各不相同,在光密介质中速度慢,在光疏介质中速度快,在真空中速度最快。


在折射时,入射角θ1的正弦和折射角θ2的正弦之比等于光在两种介质中传播速度之比(参见图5-4)。


sinθ1/sinθ2=  V1/V2(5-4)


式中:V1、V 2为光在两种介质中的传播速度。


由式(5-4)可得出:


V2sinθ1= V1sinθ2(5-5)


从而可得出这样的结论:光线从光疏介质(V快)进入光密介质(V慢)时,折射角小于入射角;反之,光线从光密介质进入光疏介质时,折射角大于入射角。


4、折射率


光线在同一介质中的传播速度是个定值。因此,对于给定的两种介质来说,入射角θ1的正弦和折射角θ2的正弦之比总是一个常数。用n21表示:


n21 = sinθ1/sinθ2(5-6)


常数n21称做光线从第一种介质射入第二种介质时的折射率。


结合(5-4)式即得:


n21= sinθ1/sinθ2= V1/V 2(5-7)


如果光线是从真空入射到某种介质里,它在真空里的传播速度用C表示,在介质里的传播速度用V表示,根据(5-7)式


n = sinθ1/sinθ2=  C/V2(5-8)


光线从真空入射到某种介质里的折射率n,叫做该介质的绝对折射率,简称为该介质的折射率。



光在空气里的传播速度比在真空里的传播速度C略小一点(相差甚少),所以可看成是相等的,即空气折射率近似等于1,因此常把光线从空气射入某种介质的折射率当作这一介质的折射率。


n1=  C/V1 ;n2=  C/V2


代入式n21 = sinθ1/sinθ2= n2/ n1



5、全反射


当光线从光密介质进入光疏介质时,根据公式(5-9):sinθ1/sinθ2= n2/ n1  即:n1>n2;当折射角θ2 = 90°时,sinθ2= 1;如果继续增大入射角θ1,光线就不产生折射现象,而全部反射回光密介质中,这就是全反射现象。刚开始发生全反射现象的入射角就称之为“临界角”,用θc表示

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