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OPTICA Y MICROSCOPIA Introducción La óptica es el estudio de la interacción de las ondas de luz con medios reflectores y medios refractores. • La luz es una manifestación de la energía universal que se desplaza por ondas y que no necesita medio elástico para su transporte (la longitud de onda es de 0,7 y 0,31 micras y tiene una velocidad de 300.000 Km x segundo). • La intensidad de la luz está en relación inversa al cuadrado de la distancia. • Los Arabes fueron los primeros en descubrir el cristalino, mientras que Alhazam fue el primero en publicar un libro llamado “Los tesoros de la vista”. • Lippershey fue el que tallando lentes inventó el microscopio, y a partir de este Galileo lo mejoró. Sensación Luminosa • El sentido de la vista nos pone en comunicación con el medio exterior, proporcionándonos sensaciones de forma, color distancia de los objetos que nos rodean, por la acción que ejercen en nuestros ojos ciertas radiaciones. • Los cuerpos que emiten o producen radiaciones capaces de impresionar nuestro sentido de la vista se llaman fuentes luminosas. • Los cuerpos que reflejan la luz que recién de ella la que de ese modo llega a nuestros ojos en forma indirecta se dicen que están iluminndos. El color es una característica de impresión luminosa. Las fuentes luminosas pueden: - naturales - artificiales. • Los cuerpos que interpuestos ente el ojo y los objetos permiten percibir sin modificación sensible las sensaciones luminosas son transparentes La luz se propaga en forma recta si el medio es homogéneo. • El rayo luminoso es la radiación que ha pasado por un pequeño orificio si la fuente de luz esta alejada. • El conjunto de rayos que pasa por un punto consiste en un haz de rayos. • La propagación rectilínea de la luz se cumple siempre que los objetos interpuestos o las ranuras por donde se las hace pasar no sean pequeños pues entonces se produce la difracción. REFLEXION Y REFRACCION EN SUPERFICIES PLANAS. Reflexión de una onda plana en una superficie plana • Para el mejor entendimiento de lo que es una reflexión de una onda plana en una superficie plana, veo conveniente la explicación de esta mediante su gráfica. • Consideramos la traza AA’ (Fig. 1) de un frente de onda plano que acaba de hacer contacto con la superficie reflectante MM’, a lo largo de una recta que pasa por A, perpendicular al plano del dibujo. Los planos del frente de onda y de la superficie reflectante son también normales al de la figura. • La posición del frente de onda, al cabo de un intervalo de tiempo t, puede hallarse aplicando el principio de Huygens. • Con puntos situados sobre AA’ como centros, se dibuja cierto número de ondas secundarias de radio vt, siendo v la velocidad de propagación en el medio situado encima de la superficie. • Las ondas secundarias engendradas junto al extremo superior de AA’ se propagan sin obstáculos, y su envolvente da la porción OB’ del nuevo frente de onda; pero las ondas secundarias engendradas junto al borde inferior de AA’ inciden sobre la superficie reflectante. • Si esta no existiese, habrían ocupado las posiciones representadas por los arcos de circunferencia señalados con trazos. • El efecto de la superficie reflectante es invertir el sentido de propagación de las ondas que inciden sobre ella, de modo que la parte de una onda secundaria que hubiera penetrado debajo de la superficie, se encuentra realmente sobre ella, como indican las líneas de trazo lleno. F ig . 1 A ' C B' B M C' O P M ' Posiciones sucesivns de unn plnnn AA’ nl reflejnrse en unn superficie plnnn. • La envolvente de estas ondas secundarias reflejadas forma la porción OB del frente de onda, y la traza del frente completo en ese instante es la quebrada BOB’. Una construcción análoga da la línea CPC’, que es el frente de onda después de otro intervalo t. • El ángulo formado por la onda incidente y la superficie se denomina ángulo de incidencia; B A ' P Q F ig . 2 O A • El ángulo r que forma la onda reflejada con la superficie se llama ángulo de reflexión. • Para obtener la relación entre estos ángulos, consideremos la figura 2, que es una parte de la fig. 1. • 3esde O se traza OP = vt, perpendicular a AA’. Ahora bien: OB es por construcción, tangente a una circunferencia de radio vt, con centro en A. Por consiguiente, si se traza el segmento AQ que une A con el punto de tangencia, los triángulos APO y AQO son iguales. (Triángulos rectángulos con el lado AO común y AQ = OP.) • En consecuencia, el ángulo es igual al ángulo r, y tenemos la ley de la reflexión «Una onda plana se refleja en una superficie plana formando un ángulo de reflexión igual al de incidencia». Refracción de una onda plana en una superficie plana • Siempre que un tren de ondas luminosas que se propongan en un medio transparente, incide en la superficie de un segundo medio transparente cuyo índice de refracción difiere del correspondiente al primero (esto es, en el cual la velocidad es distinta a la del primero), se originan en la superficie de separación dos nuevos trenes de ondas. • Uno de ellos, que constituye la onda reflejada, vuelve al medio inicial, mientras el otro, llamado onda refractada, se propaga en el segundo medio. • La dirección de la onda reflejada viene dada por la ley de la reflexión deducida en la sección anterior. • Procedamos ahora a obtener la dirección de propagación de la onda refractada. A ' F ig . 3 B' C' M O B n n' P M ' C • Consideramos la traza de un frente de onda plano AA’ (Fig. 3), que acaba de hacer contacto con la superficie MM’ a lo lago representa la superficie de separación de dos medios transparentes de distinto índice de refracción. • Sea n el índice del medio situado encima de MM’ y n’, el del medio inferior. Supongamos n’>n. Las ondas reflejadas no están representadas en la figura, pues se comportan exactamente igual que en la figura 1. • Apliquemos el principio de Huygens para hallar, al cabo del tiempo t, la posición del frente de onda refractado. • Tomando puntos situados sobre AA’ como centros, se dibuja cierto número de ondas secundarias. • Las engendradas cerca del borde superior de AA’ se propagan con la velocidad v = c/n, y al cabo de un intervalo de tiempo t son superficies esféricas de radio vt. Sin embargo, la onda secundaria que se origina en el punto A se propaga en el medio inferior con la velocidad v’ = c/n’ y al cabo del tiempo t es una superficie esférica de radio v’t. • La envolvente de las ondas secundarias procedentes del frente de onda inicial son dos planos cuyas trazas forman la línea quebrada BOB’. • Una construcción análoga conduce a la traza CPC’, al cabo de un segundo intervalo de tiempo t. • Los ángulos y ‘ formados por la superficie y los frentes de onda incidente y refractado se denominan, respectivamente, ángulo de incidencia y ángulo de refracción. Q Fig. 4 vt A O Ø Ø' v't B • Para hallar la relación entre estos ángulos utilizaremos la figura 4 que es una parte de 3. Se trazan OQ = vt, perpendicular a AQ y AB = v’t, perpendicular a BO. 3el triángulo rectángulo AQO, se deduce vt sen ø = AO y del triángulo rectángulo ABO: s e n ø '= v 't A O Por tanto, sen ø = v sen ø ' v' • Esto es, cuando un tren de ondas planas incide sobre la superficie de separación de dos transparentes, la razón del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es igual a la razón de las velocidades de propagación en los dos medios. 3ado que por definición, n= c v c y n' = v' siendo c la velocidad de propagación en el vacío, se deduce que: v = n' v' n y la Ec. 1 puede escribirse, sen ø n' = sen ø ' n o bien, n sen ø = n’ sen ø’ • Esta ecuación es más útil que la 1, ya que el índice de refracción de una sustancia es el dato que figura habitualmente en la tablas, en lugar de la velocidad de propagación de la luz en dicha sustancia. • Como para un para de sustancias dadas la razón n’/n es constante, la Ec. 2 equivale a: sen ø = co n s tan te sen ø ' • El descubrimiento de que la razón del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es constante se atribuye habitualmente a Willebrod Snell, en 1621, aunque parece ser algo dudoso su fue realmente realizado por él. 3e acuerdo con la costumbre, denominaremos ley de Snell a la representada por la ecuación # 2 anteriormente descrita . • Existen dos tipos de espejos: planos y segmentos de esfera de cara convexa. • En ambos los rayos se reflejan de una manera divergente donde se forma imagen virtual y en los convergentes se forma imagen real. Refracción • Es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro. Reflexión • Es cuando los rayos de luz llegan al objeto y son reflejados en dirección diferente; pero con el mismo ángulo de inclinación. Leyes de refracción 1. La luz se propaga en línea recta.LEYES FUN3AMENTALES 3E LA OPTICA 2. Si con una pantalla se intercepta una parte del haz de rayos, los rayos restantes no modifican su trayectoria ni se modifican. 3. Un rayo que llegue a la superficie de separación de dos medios (rayo incidente) se divide en otros dos. • Uno vuelve al primer medio y los otro se propaga al segundo si el otro es transparente. • La ley de refracción nos dice que rayo que vuelve al primer medio reflejado se mantiene en el plano determinado por el rayo incidente y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. • El rayo que pasa al segundo medio o rayo refractado y forma en el mismo plano un ángulo. LUZ • Esta compuesta de pequeñas partículas llamadas fotones, y que están dotadas de movimientos vibratorios. • Es una forma de energía radiante, cuya longitud de onda es 0,2 a 0,8 micras. luz blanca. REFRACCION • Este fenómeno se produce cuando el objeto es transparente y consiste en la desviación que sufre el rayo luminoso al atravesar un cuerpo transparente. • El índice de refracción es la medida de la densidad óptica de un objeto REFLEXION • Consiste en que el rayo luminoso es desviado por un cuerpo en una sola dirección. ESPEJO • Una superficie perfectamente plana es un espejo • Todos los rayos que partiendo de un punto S, (sus prolongaciones) se reflejan en un espejo, pasan por un punto S‘ simétrico de S con respecto al plano del espejo. • Al punto S‘ lo llamaremos imagen de S como son prolongaciones de rayos reflejados esta imagen tiene carácter virtual. • La imagen real es aquella en el los rayos y no sus prolongaciones se cortan en un punto.. • Si en lugar de uno solo, tenemos varios puntos, a cada punto objeto corresponderá uno imagen. • Como la imagen es simétrica del cuerpo con respecto al plano del espejo la imagen es virtual y de igual tamaño siendo simétricas no se pueden superponer por eso la imagen de mano derecha es una mano izquierda. • Si el haz de rayos que incide sobre un espejo converge hacia un punto situado detrás del mismo el centro del haz constituye un foco virtual y su imagen será en este caso real. ESPEJOS ESFERICOS • Cuando el espejo tiene la forma de un arco de esfera y la superficie de reflejo corresponde a la cara interior se llama cóncavo y si corresponde a la cara exterior se llama convexo. TIPOS 3E LENTES • Pueden ser biconvexas, plano convexas, bicóncavas, cóncavas y cóncavo convexas. • Si el índice de refracción es mayor que el medio que la rodea son convergentes. • Las cóncavo convexas son convergentes o divergentes según la cara de mayor curvatura sea la convexa o la cóncava. 3IOPTRIA • La superficie plana de separación de dos medios de distinto índice de refracción separados uno de otro por una superficie esférica constituye una dioptría esférica. • Un medio transparente limitado por dos dioptrías cuyos ejes principales coinciden constituyen una lente. El eje principal • Es la recta que pasa por el centro y el vértice de la superficie esférica. El foco principal imagen • Todos los rayos que incidan paralelamente eje principal provengan de un objeto infinitamente alejado del mismo se refractara y todos los rayos del haz pasaran por un punto del Eje principal. • Es el punto del eje principal que es la imagen de un punto infinitamente alejado sobre el mismo eje. PN D F E P C C FP L e n te E V OBTENCION 3E IMAGENES EN LA 3IOPTRIAS Tomaremos con referencia tres rayos: 1) El rayo paralelo al eje principal que se refracta y pasa por el foco principal 2) Un rayo que pasa por el centro de curvatura no se desvía 3) un rayo que pasa por el objeto y sale paralelo al eje principal. • En dioptrías convergentes se han obtenido imágenes reales. Foco principal objeto • Es el punto del eje principal tal que los puntos que pasan por el emergen paralelos al eje principal. CASOS 3E LA FORMACION 3E IMAGENES PRIMER CASO El objeto iluminado se encuentra en el infinito, la imagen se encuentra reducida a un punto que se encuentra en el foco principal. PN EP FP L E N TE EV CC SEGUN3O CASO El objeto esta entre el infinito y el centro de curvatura es una imagen invertida y de menor tamaño. EP DF CC LENT E EV TERCER CASO El objeto esta en el centro de curvatura y por lo tanto da una imagen real y del mismo tamaño. EP FP CC L E N TE EV CUARTO CASO El objeto se encuentra entre el centro de curvatura y el foco principal, forma una imagen real, invertida y de mayor tamaño que el objeto. EP D F CC L E N TE EV QUINTO CASO El objeto se halla en el mismo foco principal, los rayos refractados salen paralelos al eje principal por lo tanto no forma imagen ni real, ni virtual pues los rayos se prolongan en el infinito. EP FP CC L E N TE EV SEXTO CASO El objeto esta entre el foco principal y la lente, se observa una imagen virtual derecha y de mayor tamaño que el objeto, pero en el mismo lado de la lente en el que se halla el objeto. E P FP CC L E N TE E V MICROSCOPIA • La palabra microscopio viene de micro y del gr. Skopein = mirar, examinar. • El microscopio es un instrumento óptico que sirve para aumentar considerablemente la imagen de los objetos muy diminutos. • La Microscopía va a estudiar a las partes más pequeñas a través del microscopio (el más común: microscopio óptico) Sus áreas de la Microscopía son: a) Organografía Estudio de los órganos. b) Histología (propiamente dicha, tejidos) c) Citología o biología celular. Partes del microscopio óptico. MICROSCOPIO 3E LUZ Con el microscopio de luz las preparaciones teñidas son observadas por transiluminación. El microscopio está compuesta de una parte mecánica y una parte óptica. • El microscopio va a tener una parte mecánica y un sistema de lentes. • Entre ellas podemos encontrar al pie o pedestal que va a adquirir diversas formas; una de puede ser circular, cuadrada, rectangular y semilunar. • También va a estar compuesto por el tornillo macrométrico (enfoca la imagen) y por el micrométrico (afina la imagen); ambos tornillos se van a encontrar en el asa o brazo del microscopio; y por el otro lado vamos a encontrar al porta objetos, carro de movimientos que nos van a permitir deslizar el porta objetos para abajo, arriba y a los costado. • Las pinzas van a ir a sostener a la lámina porta objetos. • En la parte del portaobjetos vamos a tener al nonios overmier que nos dará el tamaño. - Identificar los componentes de la parte mecánica. - La parte óptica esta compuesta por tres sistemas de lentes. • En cuanto a la parte óptica el microscopio va a usar lentes convergentes: plano convexa, biconvexa, concavoconvexa. - condensador - Objetivos - Oculares • El condensador proyecta un rayo cónico de luz para iluminar el objeto a ser observado. • Los objetivos aumentan el tamaño de la imagen y la proyectan en dirección de los lentes oculares. • El ocular aumenta mucho más la imagen y la proyecta a la retina del observador o a las pantallas. • El grado de aumento se obtiene multiplicando el poder de aumento de los objetivos por los de los oculares. Resolución • El factor crítico para obtener una buena imagen microscópica es la resolución que es la distancia más pequeña entre dos partículas que se puedan distinguir. • 3os partículas que estén a una distancia de 0,3um pueden observarse separadas si el factor de resolución es menor, si aumenta este factor solo se observan como un único punto. (los mejores microscopios tienen un factor de resolución de 0,2um) • La claridad, y mientras más detalles permita observar indican la calidad del microscopio. • El aumento depende del poder de resolución. depende de los objetivos. Los oculares no aumentan la resolución y solo la magnifican. Apertura Numérica • Una de las mayores características de un objetivo es su apertura numérica (NA). • Para la resolución es una función de la apertura numérica y de la longitud de onda empleada. • Se la puede definir como el menor índice de refracción observado entre la preparación microscópica multiplicado por el seno del semiángulo de apertura del lente. La resolución de un objetivo puede definirse por la sgte. ecuación: R= K x l/NA K= a una constante de 0.61 l= es la longitud de onda. • Los objetivos y los oculares están formados por un sistema de lentes de forma que puedan corregir sus defectos individuales (aberraciones). Aberraciones cromáticas • Ocurre por que los lentes esféricos traen luz de menor longitud de onda para el enfoque mas cerca de la retina a diferencia de la longitud de onda mas larga. Consecuencia de esto es que se observan varias imágenes separadas y los detalles se ven borrosos. (los lentes acromáticos pueden corregir este defecto) Aberraciones esféricas • En estas aberraciones la calidad de la nitidez de la imagen se desvanece por que las propiedades ópticas del centro de la lente son diferentes de los de la periferia de esta. Los lentes apocromáticos corrigen tanto esta como la anterior aberración. Curvatura del campo • Los lentes con esta aberración producen una imagen enfocada al centro y fuera de foco en la periferia y al cambiar el enfoque a la periferia se desenfoca el centro de la imagen. Los lentes Planar, corrigen esta aberración. Sistema de lentes oculares. • El ocular es el responsable del aumento de la imagen, éste va a estar dado por un sistema de lentes dado por oculares que son tubos huecos que tienen una lente superior e inferior planaconvexa (aumentos de 4x, 15x, 20x). Objetivos. • Son varios y adecuados al revolver porta objetivo; en la parte inferior tiene una lente frontal plano convexa, y en la superior una sucesión de lentes correctores. • Los objetivos van a tener aumentos de 4x (pequeño aumento), 10x (mediano aumento), 40x (gran aumento), 100x (inmersión). Notn.- El numento del objetivo lo podemos determinnr nl multiplicnr el numento del objetivo por el del oculnr .Subplatina. en la subplatina vamos a encontrar el condensador, que va a concentrar la luz para poder observar la imagen, tiene un tornillo que permite hacer ascenso y descenso. • También vamos a tener al diafragma que es una serie de láminas sobrepuestas que se abren y cierran permitiendo el paso de luz; por debajo de este encontramos filtros que son de color azul que van a transformar la luz amarilla en luz blanca. En la parte inferior encontramos el espejo que puede ser plano con una cara cóncava. Aberraciones. • Las aberraciones son los defectos que puede tener un microscopio óptico. Y vamos a tener las siguientes: Aberrnción de esfericidnd, cuando veamos nítido en la parte central y borroso en la periferia a la inversa. Aberrnción cromáticn, donde el objeto de estudio se mantendrá del mismo color; pero el fondo será colorido, tendrá áreas de colores. Cualidades del microscopio.Tenemos las siguientes:  Poder de definición: cuando no hay aberraciones, se ve nítido el objeto.  Poder de penetración: Es la capacidad de ver nuestro objeto de estudio sin tener que cambiar constantemente el foco.  Poder de resolución: es la capacidad de separar un punto hasta lo mínimo. TIPOS 3E MICROSCOPIO. Microscopio de campo oscuro. • En vez del condensador del microscopio óptico va a tener un condensador parabólico. • Los rayos que vienen de la fuente luminosa, se desvían y atraviesan el objeto de estudio en forma tangencial. • Nos permite ver partículas o sustancias sin colorantes. • Nos da un brillo y por el brillo denotamos la forma, el tejido Microscopio de polarización. 3iferencia: en lugar del condensador está el prisma de nicol. 3etrás del objetivo está el analizador, por este tipo de prisma la luz se vuelve en luz plana. • Las sustancias que no son isótopas, pasa la luz recta. Polarización es el paso de un rayo de luz a través de una sustancia y se divide y produce dos rayos a partir de uno, ocurre en sustancia cuyos átomos tienen un ordenamiento periódico. • Este microscopio tiene dos componentes uno polarizador y otro analizador, están colocados de manera tal que sus ejes principales sean perpendiculares. Microscopio de contraste de faces. • Exagera la diferencia de faces, lo que es normal y atenuado (variación de tonalidades). • No necesitamos darle color a la célula. Se puede estudiar al natural. Tiene otro tipo de condensador (condensador de hendidura). • Los cuerpos no teñidos son difíciles de observar, si son transparentes toda su superficie tiene la misma densidad óptica. • Para observar en vivo imágenes de cuerpos transparentes se usa este microscopio. • La luz pasa por un cuerpo transparente con diferentes índices de refracción, disminuye la velocidad y cambia de dirección. • El sistema óptico permite encontrar estas fases, difiere del microscopio común Microscopio de interferencia. • El manejo es similar al anterior (juega con contraste de faces). 3iferencias: nos da imágenes de alto relieve y de tono naranja y verde. Se usa más para estudiar partículas. Microscopio de rayos ultravioletas. • La lente que es de vidrio es sustituido por lentes de cuarzo y la iluminación se produce por unas lámparas de mercurio. • Este microscopio generalmente se lo usa para estudiar tejido renal en una sustancia, donde por lo general se busca anticuerpos (los tejidos analizados por este sistema no se puede guardar porque va perdiendo fluorescencia). Microscopio electrónico. • Está formado por un cátodo que tiene un filamento de Tungsteno el cual es estimulado por el ánodo con voltaje (60000 a 100000 voltios). • Una vez estimulado el filamento, con el voltaje se libera electrones que son enviados al vacío y luego concentrado por imanes, pasan el tejido a estudiar y luego son recuperados en una pantalla. • Un flujo de electrones puede ser desviado por un campo magnético. • Estos cambios permiten observar a mayor magnificación en una pantalla fluorescente o en una placa fotográfica. Microscopio de barrido confocal. • Tiene partes de un microscopio óptico, ultravioleta y un vidrio con rayos láser.