Page 5 - XXIII_Studencka_Sesja_Plakatowa
P. 5
SZCZYPCE OPTYCZNE
Lata 60. XX wieku, za sprawą Arthura Ashkina, stały się początkiem badań oddziaływania
światła na małe cząstki. Jak zauważono, wiązka fotonów wywierała siłę rozpraszającą,
przyspieszającą cząstkę, ale także siłę gradientową, która wciągała ją w obszar
o większym natężeniu światła. Poczynione obserwacje pozwoliły na zbudowanie szczypiec
optycznych. Znalazły one szerokie zastosowanie w naukach fizycznych i biologicznych ze
względu na niesamowitą dokładność pomiaru położenia cząstki rzędu nanometra oraz
wywieranych na nią sił rzędu pikoniutona. Za swoje odkrycie, w 2018 roku Arthur Ashkin
Wydział Fizyki, Arthur Ashkin
otrzymał Nagrodę Nobla.
Astronomii (1922-2020)
i Informatyki Matematyczny opis działania
Stosowanej Zasada ekwipartycji Siła sprężystości
• Przybliżenie optyki geometrycznej (r >> λ) energii
Opisuje zjawiska załamania i odbicia światła na cząsteczce. ൌ κ
II Pracownia 2
• Przybliżenie dipolowe Rayleigha (r << λ) κσ = k T κ – współczynnik
B
Fizyczna Przyjmujemy, że cząstka znajduje się w jednorodnym polu elektrycznym Energia spułapkowanej sprężystości
fali, przy czym sama nie posiada własnego pola. Średnia siła działająca kuleczki jest równa średniej
na cząstkę opisywana jest wzorem, w którym pierwszym człon energii potencjalnej
XXIII odpowiada sile gradientowej, natomiast drugi sile rozpraszającej: oscylatora harmonicznego. Siła lepkości
α′ 2 + ωα × .
′′
Studencka 2 Współczynnik = −6πη
ൌ ∇ | |
Teoria rozpraszania Mie (r ≈ )
•
Sesja Wyniki otrzymywane przy użyciu teorii Mie to rozwiązania równania konwersji η - współczynnik lepkości
Plakatowa Helmholtza i mają postać nieskończonych szeregów. ξ = 0.35 ± ͲǤͳʹ μm cieczy
V
31.05-04.06.2021 Pomiar sztywności pułapki
Układ doświadczalny
plakat nr Kuleczki wykorzystane z dopasowania profilu Lorentza
Milena w doświadczeniu mają średnicę 1 μm. Nałożono na siebie widma, po dwa dla osi x i y dla wybranych natężeń.
Czubak 3 Najważniejszym elementem szczypiec Następnie wykonano transformatę Fouriera oraz dopasowanie:
optycznych jest laser diodowy emitujący
A
promieniowanie ciągłe o długości fali y = B + x 2
2
976 nm i mocy do 300 mW.
autor: Parametr B opisuje
Milena Czubak Zwierciadło L3 kieruje wiązkę do góry na częstotliwość odcięcia:
obiektowy mikroskopowy, który skupia ją ൌ f .
0
opiekun: tworząc pułapkę, a światło rozproszone na Natomiast częstotliwość
Nazywam się Milena Czubak i jestem studentką fizyki dr cząstce i przechodzące jest zbierane przez odcięcia:
κ
na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowa- Tadeusz Pałasz kondensor i kierowane na fotodiodę f = 2πγ
0
natężenia 104 Ǥ
czasu nałożonych na siebie widm.
nej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Aktualnie zajmuję Schemat układu szczypiec optycznych (nadal trwają kwadrantową. Szczypce pracują
ሻǤ w układzie mikroskopu odwróconego, Sztywność pułapki wyznaczona tą metodą jest w zakresie 0.0075 - 0.015 .
się pracą na temat metod pomiaru śladowych ilości izo- ponieważ pozwala to na utworzenie
Poszukiwania i chwytanie układu, w którym kuleczki grawitacyjnie
topów radonu pod kierownictwem dr hab. Grzegorza kuleczek odbywało się blisko kierują się w stronę powierzchni szkiełka Wartość ta odbiega od rezultatów uzyskanych innymi metodami.
Źródło [3] potwierdza jednak wyniki otrzymane z dopasowania
Zuzela. Praca w Zakładzie Doświadczalnej Fizyki Kompu- dna szalki Petriego. nakrywkowego lub dna szalki Petriego. profilu Lorentza, a także małą wiarygodność tego sposobu pomiaru.
terowej pozwala mi rozwijać się na wielu płaszczyznach.
Ukończyłam Zespół Szkół Technicznych im. Tadeusza Pomiar sztywności pułapki z twierdzenia Stokesa Ruchy Browna
Kościuszki w Radomiu na kierunku technik informatyk.
Chaotyczne ruchy cząsteczek w cieczy lub gazie są
Prywatnie interesuję się futbolem amerykańskim, lek- rezultatem bombardowania ich przez cząsteczki
koatletyką i germanistyką. Przez 6 lat byłam zawodnicz- ośrodka, w którym się znajdują. Na początku XX w.
matematyczny opis ruchów Browna podali
ką klubu RLTL ZTE Radom na dystansie 800 m. Sport niezależnie polski fizyk Marian Smoluchowski oraz
nauczył mnie wytrwałości, cierpliwości i ciągłego pod- Albert Einstein. Smoluchowski stwierdził dodatkowo,
że za przesunięcia cząsteczek odpowiedzialne jest nie
noszenia poprzeczki. Każde osiągnięcie zawdzięczam tyle bombardowanie, co fluktuacje ich gęstości
ciężkiej pracy i wsparciu rodziców oraz przyjaciół. Zdo- w bezpośrednim sąsiedztwie zawiesiny, co pozwoliło,
aby Paul Langevin rozwinął dynamikę stochastyczną.
byte doświadczenie pozwoliło mi na współorganizowa- Wykres odczytanego napięcia na fotodiodzie Zależność wychylenia z od prędkości v dla natężenia
kwadrantowej. Oznaczony przedział jest wychyleniem Ͷ Ǥ
nie wielu wydarzeń sportowych i kulturowych, a także kuleczki w momencie zadziałania siły. Wykonano wykresy zależności wychylenia kulki ze
środka pułapki od prędkości dla wybranych natężeń.
na zdobycie uprawnień sędziego sportowego. W wol- Wykonano wykresy różnicy sygnałów, Do każdego wykresu dopasowano prostą:
która się pojawiała, a następnie odczytane
nym czasie czytam i oglądam kryminały. różnice przemnożono przez współczynnik ൌ ,
konwersji. gdzie - wychylenie ze środka wiązki, v – prędkość,
w doświadczeniu
6πηr
ൌ Marian Smoluchowski
κ ሺ ሻǤ
Sztywność pułapki wyznaczona tą metodą oscyluje wokół wartości κ ≈ . . (1872-1917)
Pomiar sztywności pułapki Jakie możliwości dają szczypce optyczne? Bibliografia
z ekwipartycji energii Siły z jaką działają szczypce w dużej mierze zależą od mocy [1] Instrukcja do ćwiczenia Z54
lasera. Przy niewielkiej mocy rzędu 15-30 mW schwytane (www.2pf.if.uj.edu.pl)
Wykonano histogramy liczby zliczeń od położenia kuleczki kuleczki mogą być wybijane przez inne wykonujące ruchy [2] A. Ashkin, „Acceleration and trapping
wykonującej ruchy Browna. Browna, natomiast przy wysokiej powyżej 80 mW of particles by radiation pressure”, Phys.
w pułapkę wciągane jest ich kilka. Rev. Lett. 24, 156 (1970)
Do histogramu dopasowano Z całą pewnością siły te przezwyciężają ruchy Browna, ale [3] D. C. Appleyard, K. Y. Vandermeulen,
rozkład Gaussa: nie są w stanie pułapkować cząstek większych od 20 μm. H. Lee, M. J. Lang, "Optical trapping for
Dla przykładu rozmiar pantofelka to średnio około ǡ
zwierzęcy. Jego undergraduates", American Journal of
−(x−B) 2 pułapkowanie Physics 75 (1), 5-14 (2007)
ൌ ǡ 300 μm. Rozmiar bakterii mieści się w zakresie od 0.17 do
C 750 μm, wirusy są znacznie mniejsze.
Ǥ [4] M. Smoluchowski, „Zur kinetischen
gdzie C = 2σ [μm ]. Theorie der Brownschen
2
2
Skorzystano z zasady Szerokie zastosowanie szczypce optyczne Molekularbewegung und der
ekwipartycji do wyznaczenia κ. znalazły w medycynie, gdzie znaczące było Suspensionen”, Ann. Phys. 21, 756–780
to, że wywierane siły są nieinwazyjne (1906)
i pozwalają na badanie takich struktur jak [5] www.kwantowo.pl/2018/10/03/nobel-
zliczeń od położenia kuleczki
Do kulek dielektrycznych przykleja się zmodyfikowaną nici DNA lub bakterie. Zastosowano je
dla natężenia 59 Ǥ za-laserowa-pesete-krotko-i-niezbyt-
przez biotynę helisę. Kiedy jedna z kulek zostanie w badaniach nad komórkami rakowymi.
Sztywność pułapki wyznaczona tą metodą jest w zakresie 0.17-0.45 .
ǡ
przejrzyscie/
optycznymi za drugą, mogąc np. rozplątać łańcuch.
