POLARİZE MİKROSKOPLAR

POLARİZE MİKROSKOPLAR

POLARİZE IŞIK VE POLARİZE MİKROSKOBUN YAPISI
Titreşimleri tek bir doğrultuda olan ışık dalgalarına polarize ışık adı verilmektedir.
Polarize mikroskop, ışığın polarizasyonu yani kutuplanmasından yararlanarak yapılan mikroskoptur.
Işık dalgaları elektromanyetik dalgalar olduğundan enine dalgalardır. Enine dalgalar kutuplanabilen dalgalardır. Işık dalgalarının yayılma doğrultusundan sonsuz sayıda titreşim düzlemi geçirilebileceği için enine dalgalar yayılma doğrultusuna dik bütün doğrultularda titreşebilir. Yalnız bir düzlemde yer alan titreşimlere “çizgisel kutuplanmış titreşimler” ve dalgalara da “çizgisel veya düzlemsel kutuplanmış enine dalgalar” denir.
Bir ışık kaynağının atomları birbirinden bağımsız olarak ve düzensiz aralıklarla dalga treni(fotonlar)yayarlar. Her dalga treni çizgisel kutuplanmış olmakla beraber ışık kaynağından çıkan milyarlarca atom rasgele yönelmiş olduğundan yayılan ışık içinde titreşim düzlemi mümkün olan her doğrultuda yönelmiş fotonlar bulunur. Bu nedenle ışık kaynağının yaydığı ışık(laser kaynakları hariç) kutuplanmamıştır. Işığı kutuplamak için çeşitli yöntemler vardır. Yansıma, kırılma, küçük tanecikler tarafından saçılma, anizotrop ortamlarda çift kırılma, bazı maddelerde seçimli soğurulma olayları yardımıyla ışık kutuplanabilmektedir.

IŞIĞIN YAYINMASI

Işığın kutuplanmasını(polarizasyonunu) sağlamada, ışığın yayılma doğrultusuna dik bir doğrultuda titreşiminde içinden geçen dalgaları kutuplayan kısma “kutuplayıcı” veya “polarizör”, kendisine gelen dalgaların kontrolüne yarayan ve yapı elemanı bakımından polarizörün tamamen aynı olan kısma da “çözümleyici” veya “analizör” denir. Polarizör tarafından kutuplanan ışığı, yayılma doğrultusu eksen olmak üzere analizörü döndürerek titreşim düzlemine paralel hale getirdiğimizde bu dalgalar analizörü geçerek yayılmalarına devam ederler. Bu konumdan itibaren analizör 90 derece daha döndürülürse, titreşimleri geçirme düzlemi gelen kutuplanmış dalgaların titreşim düzlemine tekrar dik olacağından, dalga hareketi analizörün arka tarafına geçemez. Fakat analizör bu iki sınır hal arasında bir konumda ise gelen kutuplanmış dalga titreşimleri biri analizörün geçirme düzlemine paralel; diğeri buna dik olmak üzere iki bileşene ayrılacağından paralel bileşen analizörü geçebilir. Analizörü döndürmek suretiyle, gelen dalgaların geçmesi tamamen önlenebiliyorsa bu dalgalar kutuplanmıştır. Analizörü döndürmek suretiyle, geçen dalgaları söndürmek mümkün değilse gelen enine dalgalar kutuplanmamıştır.

Şekil: Kutuplanmış(polarize ışığın elde edilmesi)
Bir ışık kaynağı önüne şekilde görüldüğü gibi bir ızgara(PL) konursa, yarıklarla yanı yönde titreşen ışınlar, ızgaranın öbür yanına geçecek; diğer yönlerde titreşen tüm ışınlar ise engellenecektir. Sonuçta ızgaranın diğer yanına gelen ışınlar (ışın demeti) kutuplanmış olacaktır. Bu ışık demeti artık diğer ışık demetlerinden, tek düzlemdeki ışın dalgaları oluşturması bakımından farklıdır. PL ızgarası ışığın kutuplanmasında arcı olarak kullanıldığı için “polarizör ya da kutuplayıcı” olarak tanımlanmaktadır.
Bilindiği gibi fiziksel özellikleri her doğrultuda aynı olan cisimler”izotrop”, fiziksel özellikleri her doğrultuda aynı olmayan cisimler “anizotrop” olarak adlandırılır. Bir ışık demeti bazı anizotrop cisimleri geçerken birbirine dik doğrultuda çizgisel kutuplanmış ise o cisimlere “çift kırıcı” denir. Örneğin liflerde çoğu asimetrik gruplar ve yönlü moleküller bulunduğundan çift kırıcıdırlar. Liflerin çift kırıcılığı, lif ekseni boyunca paralel kırılma indisi( ) ile; lif eksenine dik kırılma indisi( ) arasındaki farktır. Yani – dir.
En kuvvetli çift kırıcı, kalsit kristalidir. Polarizör ve analizör bu kristalden yapılır. Kalsit kristalinden özel olarak hazırlanmış olan prizmaya ise “Nicol prizma” denir. Nicol prizma denmesinin nedeni Nicol adlı bir fizikçi tarafından yapılmış olmasıdır.Nicol prizması denilen düzenekte iki kalsit prizma,saydam bir yapıştırıcı olan Kanada Balsam ile yapıştırılmıştır. Kutuplanmış ışık Nicol prizmasının geçerken, normal ve anormal bileşenlere ayrılır. Normal ışın; Kanada Balsam üzerine, tam yansıma sınır açısından daha büyük açı ile geleceğinden , tam yansımaya uğrar ve prizmanın diğer ucundan çıkamaz. Anormal ışın ise; tam yansımaya uğramaksızın, prizmadan geçer. Böylece düşey doğrultuda çizgisel kutuplanmış ışık elde edilir. Bu sistem hem polarizör; hem analizör olarak kullanılır.

Normal

Şekil: Bir Nicol Prizma

Polarize mikroskopta polarizör kondansörün altına; analizör ise objektif ile oküler arasına konur.
P K Ö A

Şekil: Bir polarize mikroskobunun şeması P: Polarizör, K: Kondansör, Ö: Örnek, O: Objektif, A: Analizör, Ok: Oküler

Analizör ve polarizör birbirine dik yani 90 derece konumda iken, kondansör ile objektif arasına incelenecek cisin konulmamış ise mikroskop alanı karanlık olur. Fakat çift kırıcı yapı elemanlarını içeren materyaller, örneğin lifler, preparat olarak objektif önüne konulduğunda, polarılımış ışığın E elektrik alanı titreşimleri düşey doğrultuda iken bu titreşimler çift kırıcı materyali geçerken ve gibi birbirine dik iki bileşene ayrılır. ve ’nin ve yatay bileşenleri analizörden geçeceği için çift kırıcı olan materyal karanlık fon üzerinde aydınlık olarak gözükür. İzotrop cisimler ise tek kırılma açısı gösterdiklerinden görülmezler. ve aynı doğrultuda titreşimler olduğundan, aralarundaki faz farkına bağlı olarak yapıcı veya yıkıcı girişim oluşturabilirler. ve zıt yönde titreştiğinde birbirini söndürür aksi ise birbirini kuvvetlendirir.
Polarize mikroskop diğer çift kırıcı materyallerin incelenmesinde olduğu gibi(biyolojik incelemelerde çoğu hayvan kılları, kristaller , nişastalar, balık pulları, insan tırnağı, boynuz, toynak ve kuş tırnaklarının ince kesitleri, kireci çıkarılmış kemik, kas lifleri, bazı bitkisel ve hayvansal yağlar)kırlma indislerinin, çift kırıcılıkların saptanmasında, oryantasyon ve dikroiz(seçimli soğurma) olaylarının ölçülmesinde, kristallerin varlığının saptanmasında kullanılabilir. Ancak en çok kullanılan alanlar liflerin birbirinden ayırt edilmesi kristallerin incelenmesi farklı olgunluktaki pamuk liflerinin olgunluk derecesinin saptanmasıdır.
LİFLERİN ÇİFT KIRICILIĞI
Liflerin çift kırıcılığı iki kırılma indisinin ülçümü ve birbirinden farkı ile ifade edilir. Ya da başka bir deyişle faz farkının ifadesi olarak optik yolların birbirine göre uzunluk farkı seklinde de tanımlanabilir.
Çoğu basit materyalde moleküller her yönde gelişigüzel düzenlenmişlerdir ve kırılma indisleri her yönde aynıdır. Kırılma indisi moleküldeki her bağın polarizasyonun uygun şekilde toplanması ile hesaplanabilir.
Eksenel olmayan simetri ile tekstil lifleri gibi anizotropik maddeye ışık huzmesi geldiği zaman ışık atom çizgisine dik ve paralel olacak şekilde elektrik alan bileşenlerine karşılık gelen ve farklı hızlarda ilerleyen iki bilesene ayrılır. Bunlar maddeden geçerken farklı şekilde kırılırlar ve farklı görüntü oluştururlar. Faz farkından dolayı birbirlerini güçlendirip interferans renklere neden olurlar yada söndürebilirler. Genel olarak anizotropik maddelerin üç temel kırılma indisleri vardır. Fakat liflerin. Lif eksenine dik kırılma indisleri aynı olduklarından lifler eksenel simetriktir.
Lif eksenine paralel olan polarize ışık için kırılma indisi n , lif eksenine dik olan polarize ışık için kırılma indisi tir.Izotropik liflerin kırılma indisi oryante edilmiş liflerin üç temel kırılma indisi yoluyla ifade edilir:

Lifin temel kırılma indisleri
Elektromanyetik dalgalardan meydana gelen ışığın hızı. elektrik polarizasyonu ile değişir. Polarizasyon ise uygulanan elektrik alanın yönü ile değişir ve elektrik alan atomlar boyunca yönlenmişse büyüktür. Dalgaların frekansı büyük olduğundan atom çekirdeğinin etrafındaki elektronların dağılımı polarizasyonu etkilemektedir. Tekstil lifleri gibi anizotropik maddelerde moleküller belirli doğrultularda dizildiklerinden kırılma indisi elektrik alan yönü ile değişmektedir. Elektrik alan molekül eksenine paralelse kırılma indisi genellikle büyüktür.
Liflerin çift kırıcılıkları moleküllerin yerleşimi dolayısıyla liflerin amorf ve kristalin bölgelerine bağlı olarak açıklanır. Wiener ışığın dalga boyundan küçük ve küresel olmayan partiküllerin, farklı kırılma indisine sahip istenen şekilde oryante edilmiş ortamlara yerleştirilmesiyle çift kırıcılığın meydana geldiğini göstermiştir . Materyal izotrop olsa bile bu durum meydana gelir. Buna “ Form çift kırıcılık” denir. Farklı kırılma indisine sahip amorf bölgeler, kristalin bölgelere yerleştirilirse bu tip çift kırıcılık meydana gelir.

Çift Kırıcılığın Ölçülmesi
Liflerin cift kırıcılığı, iki kırılma indisinin bulunması ve aralarındaki farkın hesaplanmasıyla ölçülebilir. Ya da faz farkı olarak ifade edilen optik yolların birbirine gore uzunluk farkının hesaplanmasıyla doğrudan ölçülebilir. Optik yolun uzunluğu kırılma indisine ve ışığın geçtiği örneğin kalınlığına bağlıdır ve bu ilişki söyle gösterilebilir:
Faz farkı = .t t: örneğin kalınlığı
Liflerin çift kırıcılığının ölçülmesinde polarize mikroskoplar kullanılabilir. Polarize mikroskopta ışığı kutuplamaya yarayan çapraz nikoller arasından life bakıldığı zaman girişim incelenebilir. Örnek olmadığı zaman çapraz nikollerde alan görüntüsü karanlıktır. Çünkü polarizör, polarize olmuş ışığı yalnız bir yönde geçirir ve analizör ise ışığı sadece dik yönde geçirecektir. İki prizmanın eksenine dik yondu örnek varsa alan hala karanlıktır; çünkü polarizör tarafından geçirilen ışığın bir bileşeni örnek tarafından bir değişikliğe uğratılmadan geçirilmiştir ve analizör tarafından durdurulur. Eğer örnek farklı bir acıda yerleştirilmiş ise ( prizma eksenlerine 45° )polarizör tarafından geçirilen ışık örnek tarafından ışığın vibrasyon doğrultularına karşılık gelen ve farklı hızlarda iletilen X ve Y bileşenlerine bölünür. Işık analizöre ulaştığı zaman X ve Y bileşenleri analizör tarafından geçirilir. Fakat alan karanlık görünür. Ama örnek içinde farklı hızlarda iletilmelerinden dolayı bir bileşen diğerine göre geç kalır ve girişim oluşur. Eğer yarım dalga boyu kadar geç kalma olursa çapraz nikoller arasındaki karanlık aydınlığa dönüşür. Sonuç olarak düzgün yuvarlak kesitli lifler için monokromatik ışık altında
lif eksenine paralel birçok aydınlık ve karanlık saçaklar görünür. Bu yolla geç kalma ve liflerin çift kırıcılıkları bulunabilir. Beyaz ışık altında bakılırsa lifte verilen bölgelerde girişim sadece belli dalga boylarında oluşur ve girişim renkleri meydana gelir. Standart renk tabloları ile karsılaştırılarak çift kincilik hakkında bilgiye ulaşılır.Bu iki metot tam, kesin sonuçlar vermezler.
Kompensatorler örnek tarafından meydana getirilen, bilinen ama farklı olan geç kalmaları liste getirirler. En basit şekli kalibre edilmiş kuartz kamadır. Kompensator tarafından oluşturulan faz farkı örnek tarafından oluşturulana eşit ve zıt yönde ise kompensator ve örnek yokmuş gibi durumlar aynı olur ve böylece alan karanlık görünür. Lifte herhangi bir noktada faz farkını tanımlamak için kompensator, beyaz ışık kullanılarak ya da daha keskin ayarlamaya ihtiyaç duyulduğunda monokromatik ışık kullanarak ayarlama yapılır.Çeşitli liflerin çift kırıcılıkları Tablo da görülmektedir.
Tablo: Bazı liflerin kırılma indisleri ve çift kırıcılıkları
Lifler
Kırılma indisi

Çift kırıcılık

( – )

Rami
1,588
1,519
0,069

Pamuk
1,578
1,532
0,046

Yiin
1.577
1,574
0.003

İpek ( pişmiş )
1,591
1,538
0,053

Keten
1,580-1,600
1,520-1.630
0,060

Viskoz

Normal mukavemetli
(Courtaulds triple A)
1.542
1.520
0,022

Yüksek mukavemetli

1,544
1.505
0.039

HWM
( Vincel)
1.551
1.547
0,004

Bakir amonyum
1.663
1,519
0,144

Asetat :

Sekonder asetat
( Dicel )
1,476
1,473
0,003

Triasetat
( Tricel )
1.469
1.460
0,009

Nylon :

Nylon 11
1,553
1,507
0,046

Nylon 6
1,575
1,526
0,049

Nylon 6.6
1.578
1,522
0,056

Polyester
(Terylene )
1.706
1.546
0,160

Akrilik :

Akrilan 36
1.511 1,514
-0,003

Courtelle
1.511 1,514
-0,003

Orion 42
1.511 1.515
-0,004

Modakrilik :

Dynel
1.535 1.533
0,002

Teklan
1.520 1,516
-0,004

Poliolefin :

Polipropilen
1.530 1,469
0,061

Polietilen
1.574 1,522
0,052

Kolorfibre :

Fibravil
1.541
1,536
0,005

Cam lifi :

A tipi
1.542

Etipi
1.550

S tipi
1.523

Ctipi
1.541

Bu rakamlar 1.5 ile 1,6 arasında değişmektedir. Lifler farklı materyallerden yapılmışlardır ve özellikleri farklıdır. Ayni lifin farklı varyetelerinde bile büyük farklılıklar görülebilir. Makro molekül zincirleri lif eksenine paralel olarak düzenlendiğinde çift kincilik en büyük değeri alırken; lif eksenine göre gelişigüzel dizildiğinde sıfır değerini alır. Makro moleküllerin zincir yapısı yani grupların ana eksene göre yerleşim şekilleri de çift kırıcılığı etkiler. Ana eksene bağlı olan yan gruplar, ana eksene dik olarak bağlanmış gruplar içerebilir. Bu durum ‘i arttırır ve çift kırıcılığı azaltır.
Makromolekül zincirlerinin lif eksenine paralelliğinin ve makromoleküllerin zincir yapısının çift kıncılığa etkisi aşağıda detaylı şekilde açıklanmıştır.
Çift Kırıcılık ve Oryantasyon
Kırılma indisindeki değişik ışığın polarizasyon doğrultusu ve molekül zincirlerinin düzenlenmesi arasındaki ilişkiye bağlı olduğundan çift kırıcılığın moleküllerin lif eksenine paralel olarak düzenlendiğinde en büyük değeri alacağını ve molekül zincirlerinin gelişiguzel dizildiğinde ise sıfır olacağını bekleriz. Hermans optik oryantasyon faktörü olan ƒ yi tanımlamıştır. Bu, lifin çift kırıcılığının ideal lifin çift kırıcılığına oranıdır.
ƒ=

Bu faktörün oryantasyonu bazı geometrik ölçüleriyle ilişkilendirilmesi beklenir. Hermans moleküllerin ortalama eğim açısını kullanmıştır. tüm moleküllerin aynı açıyla düzenlendiği ideal lifteki eğim açısı olarak tanımlanır.
Bu ifade yoğunluktaki farklılıklardan dolayı her çift kırıcılığın yoğunluğa denk gelen değerine bölünmelidir. ideal oryante edilmiş liflerde ƒ=1, =0′ dır.. Çift kırıcılığın olmadığı izotropik liflerde ƒ = 0 ve böylece =55°’ dir. 0 zaman denklem şöyle olur:

Sonuç olarak kırılma indisi oryantasyon ile değisir.

Tablo: Farklı oryantasyon derecelerindeki selüloz liflerinin kırılma indisleri ve ilgili
büyüklükler
Lifler

( – )

Rami
1,588
1,519
0,069
0.97
8
1,542

Viskoz

rayonu

%10 germe çekme işlemi uygulanmış
1,560
1.533
0,027
0.53
34
1.542

%80 germe çekme işlemi uygulanmış
1,568
1,531
0,037
0.74
25
1.543

% 120 germe çekme işlemi uygulanmış
1,573
1.5:8
0,045
0.88
16
1,542

Modal filamentler

Oryante
edilmiş 1,572
1.531
0.041
0.82
20
1.544

izotropik


0
0
55
1,544 |

Yukarıdaki açıklamalarda. Lif eksenine dik olarak istenen bir oryantasyonun olmadığı ustu kapalı da olsa farz ediliyor. Bu gerekli değildir. Eksenel simetri olan silindirik liflerde bile sekilde gösterilen iki şekilde de oryantasyon olabilir.
Eksenel simetrik lifin kesitindeki oryantasyon şekilleri

Lif kesiti incelendiğinde çift kırıcılık ile ilgisi gorülecektir. Polarizör doğrultuların yok olması dışında lifler çapraz polarizörler arasında incelendiğinde girişim renkleri görünür. Aydınlatılmış yüzeyde sonuç desenleri siyah çapraz olarak görülür, bu durum radyal oryantasyonun karakteridir. Bazı liflerde bu durum tüm lif içinde oldukça bellidir. Rejenere selüloz liflerinde bu durum sadece kabukta görülürken, çekimde oluşan yuvarlak kesit çekim sonrası hava çıkışı sırasında girintili olacak şekilde çöküntüler oluştuğu için viskoz rayonlarında bu durum daha karmaşıktır.
Çift Kırıcılık ve Makro Molekül Zincir Yapısı
Çift kırıcılığın büyüklüğü iki faktöre bağlıdır. Bunlar oryantasyon derecesi ve moleküllerin asimetri derecesidir.
Molekül zincirleri bir doğru üzerinde sıralansaydı Sekil ( a ) bu doğru boyunca bağ polarizasyonları büyük olduğundan çift kırıcılık büyük olurdu. Gerçekte lif molekülleri bu formda olmadıklarından iki sebepten dolayı çift kırıcılık azalır. ilk olarak ana zincir zig zag formundadır Sekil ( b ). Eğer bağlar ana zincirden 55 0 ‘den daha az bir açıyla uzaklaşırsa bu durum pozitif çift kırıcılık verir.
Yündeki sarmal keratin molekülleri aynı etkiyi verir. İkinci olarak ana zincire bağlı yan gruplar olabilir ve bunlar ana eksene dik olarak bağlanmış gruplar içerebilir şekil (c) Bu durum artırır ve çift kırıcılığı azaltır. Triasetat ve orlon liflerinde yan gruplar ana zincirden daha etkili olduklarından çift kırıcılık negatiftir.
Moleküllerin kimyasal yapıları üzerine detaylı çalışmalar ideal oryante edilmiş liflerin çift kırıcılıkları farklılıkları hakkında bilgiler verir. Terylen’ de benzen halkalarının varlığı çift kırıcılığın artmasına neden olur. Oryantasyon iyi değilse çift kırıcılık azalacaktır. Düşük çift kırıcılık değerlerine sahip rejenere protein lifleri ve bunlarla karşılaştırılan viskoz, pamuk, rami lifleri bu durumu kanıtlar.

Şekil : Germe – çekmeye uğratılmamış viskoz rayonunun kırılma indisinin enine kesiti boyunca değişimi

Yukarıdaki kısımlarda anlatıldığı gibi liflerin temel optik özelliklerini belirleyen kırılma indisi ve çift kırıcılık gibi faktörleri lifi oluşturan polimer maddelerdeki makro molekül zincirlerinin yerleşimi belirtmektedir. Kırılma indisi ve çift kırıcılık ölçümünde ise bu zincirlerin yerleşimi ve ışık karşısında nasıl davrandıkları gözlenmektedir. Aşağıda bu amaçla geliştirilen yöntemler sırasıyla incelenmiştir.
Çift Kırıcılık ve Lif Çekimi
Eriyikten lif çekimi sırasında moleküller yönlenirken polimer yapısında amorf bölgeler azalmakta ve buna bağlı olarak kristalin bölgeler artmaktadır. Bu durum liflerin kırılma indisinin değişimine neden olmaktadır.
Serbest haldeki polimer eriyiği Yönlenmenin olmadığı bölge

İncelme işlemi Yönlenmiş orta faz

Boyun deformasyonu Süper çekim

Tamamlanmış lif Kristalizasyon ve molekül
Deformasyonu yönlenmesi tamamlanması

Şekil: Filament üretimi sırasında moleküllerin lif boyunca yönlenmesi

Lifin akması sırasında düzeden uzaklaşıldıkça lif hızı artmakta. Lif sıcaklığı azalmakta, oryantasyon artmakta. ve kırılma indisi buna bağlı olarak yükselmektedir. 3200 m/dk sarım hızı ile üretilen polyester P.O.Y ( Partially Oriented Yarn ) için düzeden uzaklaştıkça değişen bu özelliği aşağıdaki grafikte görebiliriz.

Yorum yazın