Fotonová záření, optika a stanovení barvy potravin Teze přednášky

Fotonová 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 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 ENERGIE hf 6 CO2 + 6 H2O ==> C6H12O6 + 6 O2 E = hf => ΔH = + 2,81 . 103 kJ mol-1 Vlnová délka λ (nm) Světelný tok Φ lumen (lm) množství světla vyzářené prostorově Intenzita osvětlení I lux (lx) I = Φ . S-1 (lm . m-2) Měrný světelný výkon η lumen/wat (lm . W-1) - účinnost přeměny elektrické energie na světelnou

I = I0 e-α x Úbytek intenzity osvětlení I s hloubkou Tropy hladina v poledne 15000 lux 30 cm hloubka pouze 1000 lux Hladina v 15 h 1500 lux Hloubka 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 koeficient x ….síla vrstvy (hloubka vody) Intenzita osvětlení klesá se čtvercem vzdálenosti 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

40 W 430 lm 6 cm (Měrný světelný výkon 10 - 20 lm W-1) Katalog Osram

LINEÁRNÍ ZÁŘIVKY 36 W 3 350 lm 120 cm 36 W 1 400 lm 120 cm (Měrný světelný výkon 50 - 100 lm . W-1) Katalog Osram

LINEÁRNÍ ZÁŘIVKY Žlutě zabarvený odstín, teplota chromatičnosti shodná se žárovkou 36 W 3350 lm 120 cm Katalog Osram

KOMPAKTNÍ ZÁŘIVKY 3000 K 3800 K 2 x 20 W 2400 lm 2 x 15 cm 3500 K (Měrný světelný výkon 40 - 85 lm . W-1) Katalog Osram

VÝBOJKY VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉ S LUMINOFOREM 250 W 11500 lm 26 cm VYSOKOTLAKÉ SODÍKOVÉ NEJMENŠÍ VÝKON 150 W 12000 lm 9 cm (36 W 2880 lm ) (Měrný světelný výkon 6 – 130 lm W-1) Katalog Osram

Lineární 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 W AQUA MEDIC

REFLEKTORY 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 zákony Pro fotochemický děj je účinné jen to záření, které je absorbováno (zákon Grotthusův) Mezi množstvím fotochemicky přeměněné látky a množstvím absorbovaného záření existuje kvantitativní vztah. (zákon Draperův)

Fotobiologické 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 záření

Infračervené 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 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 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 záření Erytém Šedý zákal UV-C o vlnových délkách pod 280 nm má výrazné baktericidní účinky.  sterilizace mikrobiologických a virologických boxů, operačních sálů apod.

OPTIKA Geometrická – paprsková Fyzikální – vlnová Kvantová

Zákony geometrické optiky přímočarého šíření světla vzájemné nezávislosti a záměnnosti chodu paprsků odrazu světla lomu světla

Zrcadla rovinná (jediný optický přístroj bez vad) konkávní (dutá) konvexní (vypuklá)

Snellův zákon lomu světla sin α v1 n2 ---------- = ------- = ------- sin ß v2 n1

Lom 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 . . . . . . . . vlákno n1 . . . . . . obal n2 n2

Čočky 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 čoček sférická (kulová) korekce – aplanát chromatická (barevná) korekce – achromát u více barev apochromát astigmatická korekce - anastigma

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

Optická mřížka podmínka maxima k . λ sin α = -------- b b mřížková konstanta k řád maxima λ vlnová délka

Mikroskop úhlové zvětšení mikroskopu Δ d γ = ----- . ------ f1 f2 dd d d konvenční zraková vzdálenost Δ optický interval (vzdálenost ohnisek)

Rozlišovací schopnost minimální vzdálenost dvou bodů, které ještě dokážeme rozlišit λ d = ------------- n . sin α Numerická apertura NA = n . sin α

α molární absorpční koeficient c koncentrace l síla vrstvy Absorpce světla Lambert – Beerův zákon I = Io . e-α.c.l α molární absorpční koeficient c koncentrace l síla vrstvy A = α . c . l α molární dekadický absorpční koeficient A absorbance (syn. Extinkce E)

Polarizace světla polarizované světlo kmitá pouze v jedné rovině polarizace odrazem polarizace dvojlomem polarimetrie opticky aktivní látky

Optická spektra emisní absorpční čarová pásová spojitá spektrální analýza – spektroskop AAS – atomová absorpční spektrometrie

Kvantová 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 STANOVENÍ BARVY PEVNÝCH LÁTEK

Měření barvy 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 objektivně srovnávat => monitorování barevných změn pomocí přístrojů zaznamenávající odraz, příp. absorpci, včetně definice standardních podmínek měření

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 barvy se liší chemickými a fyzikálními vlastnostmi hmoty kvalitou a intenzitou záření zdroje konkrétním pozorovatelem

CIELAB 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

zdroj se nejčastěji používá denní světlo D65 Systém CIELAB transformuje reflektanci do kolorimetrické trichromatické soustavy tím, že integruje spektrum předmětu s funkcemi pozorovatele a se spektrálním zářením zdroje zdroj se nejčastěji používá denní světlo D65 standardní úhel pozorovatele 2° pro podmínky přísně foveálního vidění 10° pro pozorování pod větším úhlem

Sférická geometrie d/8°

Vyjádření kolority - číselné charakteristiky barvy předmětu - pomocí adičního mísení tří vhodně zvolených barevných podnětů soustavy Množství těchto měrných podnětů je měřítkem, jímž lze charakterizovat danou barvu

Kolorimetrická soustava CIELAB

Horizontální řez soustavou CIELAB

Měrná světlost L*

Superchroma S-Spex