光的力學效應系列實驗

1、光的力學效應-系列實驗李銀妹2006年.1月.10日光的力學效應？光有力量嗎？光子與物體的相互作用光攜帶有能量和動量（線性動量和角動量）,光與物體相互作用時彼此交換能量和動量. 光子能量: 光子動量:光的動量是光的基本屬性之一。 光與人類生活的關系非常密切，伴隨科學的發(fā)展和人類文明的進步，人們對光的認識也越來越深入。光與物質相互作用光的效應 光的效應: 在光的作用下，物體宏觀上產生的各種現(xiàn)象光的熱學效應: 光與物體相互作用時物體的溫度發(fā)生變化.常見現(xiàn)象光的力學效應: 光與物質間交換動量，使受光照射的物體獲得一個力或力矩,物體發(fā)生位移,速度和角度的變化. 難以察覺 (光電效應,磁光效應,光化學效

2、應, )本講光的力學效應主要內容安排:一. 光的力學效應歷史與未來 1. 光-動量-光壓-力 2. 普通光和激光的力學效應 3. 激光的力學效應 (微觀,界觀,宏觀) 4.光鑷-光的力學效應的典型二. 光鑷技術 1. 原理-單光束梯度力光阱 2. 特點和功能 3. 應用列舉三.創(chuàng)建光的力學效應系列實驗的意義 1. 線性動量 2. 角動量四.光的線性動量實驗 1. 實驗預習和基礎 2. 實驗內容 五.結束語一. 光的力學效應歷史與未來光-動量- 光壓-力1616年開普勒-提出光壓的概念從光的粒子性觀念出發(fā)- 具有一定動量的光子入射到物體上時無論是被吸收或反射，光子的動量都會發(fā)生變化，因而必然會有

3、力作用在物體上，這種作用力我們通常稱為光壓。康普頓效應歷史上，康普頓效應是光子學說的重要實驗依據(jù)，也是光子具有動量的直接證明。 典型的例子有X光的康普頓散射。1923年美國物理學家康普頓在研究X射線光子與自由電子之間的彈性碰撞，解釋了實驗觀察到的各種現(xiàn)象。在這一彈性碰撞過程中，光子與電子相互作用，不僅要遵循能量守恒定律，而且要遵循動量守恒定律。光子具有動量，這在一些研究物質微觀過程中起著重要的作用。為什么我們感受不到光的壓力？單個光子動量很小: 烈日:1達因/平方米是標準大氣壓的億萬分之一普通光源的力學效應微乎其微！光子密度低，方向性差！實驗觀測和測量極其困難！ 1960年激光問世：-高的光子

4、流密度的激光束 方向性好，高亮度光的力學效應能夠得到充分展示10mw的 He-Ne 激光，亮度是太陽的一萬倍！會聚光束的焦點處 1 微米小球受到的力可達10-6牛頓。 光的力學效應研究進入了一個全新的時代！光的力學效應的應用：1光與微觀粒子的相互作用原子的激光冷卻和捕陷-1997年 諾貝爾物理學獎S. 朱棣文 C,C,達諾基 W,D,菲利浦斯 玻色愛因斯坦凝聚的研究-2001年 諾貝爾物理學獎C.E.維曼 E.A.康奈爾 W.克特勒 2光的宏觀力學效應世界上最大的功率和能量密度： 激光輸出脈沖功率已經(jīng)超過1016w；聚焦強度達8×1013/cm2；可產生億度以上的高溫, 能焊接、加工

5、和 切割最難熔的材料光壓-世界上最高的壓強：相應的電場強度可達 1021w/cm2；相應的光壓時達 3×1011 大氣壓3.光與微小的宏觀粒子的相互作用光 鑷 -單光束梯度力光阱 1986 A.Ashkin 使用高度會聚光束產生的非均勻光場，造成梯度力勢阱光鑷誕生了！光鑷是什么？光鑷 - Optical tweezers 用光做的鑷子？ 光鑷如何抓取物體 ？ 光鑷力有多大？ 光鑷的力學效應的應用？二. 光鑷技術 1 原理 2 特點 3 功能 4 應用煙草細胞在光鑷的操控下定向運動光鑷的原理梯度力光阱原理n>n1-小球/液體的折射率一對典型的光線a和b經(jīng)折射后產生力Fa和Fb，其

6、矢量和F是指向焦點f 處,當小球的球心O和焦點f 間有偏離時，F(xiàn)a和Fb的,合力F總是使小球趨向焦點f處，力F是回復力。只有光場的梯度大到能保證焦點附近的梯度力大于散射力時才能形成一個三維光學勢阱而穩(wěn)定地捕獲微。光鑷操控1微米粒子光鑷 光陷阱光鑷操控微粒的現(xiàn)象尤如宇宙黑洞或吸塵器將微粒吸入無底的深淵。阱域、阱深和阱力對于微小的粒子/細胞,幾十納米-幾十微米，光的力學效應還是非常大的?？梢悦黠@看到光阱周邊的粒子以很快的速度/加速度墜入阱中被囚禁，操控的速度相當?shù)目臁?光鑷基本操控方法光鑷操縱微粒的尺度：納米-微米光鑷力有多大 ？1 fN/人×60億 - 1根發(fā)絲-細胞，單分子間的相互作

7、用力 傳遞微小力的使者 -微小力的探針！ 光鑷-一種特殊的光場形成的光勢阱,它是用光形成的鑷子!光鑷具有機械鑷子抓取物體的功能,是類比機械鑷子形象的稱呼。光鑷/光學鑷子/光學勢阱/ 單光學梯度力勢阱光鑷的特點研究個體行為的工具！應用都是基于對單個微粒的捕獲與操控。 自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個體行為的群體效應，因此，解釋宏觀自然現(xiàn)象就需要獲取單個微粒個體行為信息。能夠實施對單個微粒的操控正是研究個體行為的首要條件。 對單個活體生物以非接觸的遙控方式，實施無損無菌操控；實時動態(tài)跟蹤、進行微小力的測量。生命科學家可以挑選所需要的特定活細胞來觀察它的個體行為，研究特定的細胞間相互作用的基本過程。光

8、鑷提供了對生命活動的基本過程的研究所具有的高度選擇性是傳統(tǒng)研究方法不可比擬的。光具有的穿透特性，使得光鑷有隔墻取物之功能。即光鑷可以無阻擋越過屏障，穿過透明封閉系統(tǒng)的表層（細胞膜）操控其內部微粒（細胞器），也可以透過封閉的樣品池的外壁，操控池內微粒，實現(xiàn)真正的無菌操作。機械鑷子望塵莫及！光鑷操控的可視性。光鑷使細胞懸浮于液體中所指定的位置，其四周沒有遮擋，完全暴露在我們視野中，研究者提供了極大的方便。 光鑷系統(tǒng)實時顯示，完整保留活體細胞和大分子生命活動，能反應體系作用過程的特性是其它方法所不具備的。 光鑷是微小力的探針，類似彈簧。光鑷能夠操控粒子，實際上是光鑷向微粒施加了作用力。 光鑷能實時感

9、應微小的負荷(fN)，是極其靈敏的力傳感器。光鑷是揭示生命過程中物質輸運、能量轉換和信息傳遞規(guī)律的研究工具。 光鑷的應用:生命科學-操控，動力學研究解讀生命運動規(guī)律微納器件-操控，排布，組裝，表征新材料和功能器件制造分散體系-微粒間相互作用宏觀現(xiàn)象的微觀機理探索光力學教學線性動量，角動量認知光的基本屬性光鑷應用生物大分子的動力學研究生命過程運動力運動-位移/速度， -力，大小/方向，-結合/分離-相互作用特性-結構和功能力學量是表征生命過程的重要參量！ 單分子水平上探索生命運動的規(guī)律！國際前沿發(fā)展趨勢光鑷技術更多的是用于研究生物大分子,十幾年來已突破了許多“禁區(qū)”；人類首次實際測量到由化學能轉

10、變成機械能的原動力肌肉運動的原始動力過程-驅動蛋白分子吸收一個ATP能量后的分布運動狀態(tài)，運動步長為8納米。 國際研究成果舉例Nature 生物大分子 精細操作雙光鑷對肌動蛋白進行打結。Science 光鑷控制粘有肌動蛋白的小球接觸微管,研究其運動特性光鑷研究DNA折疊動力學過程研究光鑷研究DNA的縮合及解開光鑷已成為研究DNA動力學的不可或缺的工具光鑷的應用研究/中國科學技術大學科大細胞膜彈性的測量 光鑷牽拉血紅細胞膜/形狀由橢圓變成橄欖型單細胞融合煙草細胞原生質體的融合光鑷操控單細胞融合實驗方法光鑷分選單條染色體水稻細胞 - 熒光標記 - 細胞殘核 - 條染色體群光鑷操控單粒子微米粒子穩(wěn)定

11、的空間排布48個2微米聚苯乙烯小球組合而成光鑷在三維空間排布微粒分散體系中微粒的聚集通常都是隨機的。用逐個操控單個粒子的方法。按設定要求排布出具有穩(wěn)定空間結構的粒子聚集體。納微器件，微機械，生物器件的組裝和表征 建立了光鑷研究單分子力學行為的實驗方法三. 創(chuàng)建光的力學效應教學實驗的意義？1光的動量是光的基本屬性之一-認知光的基本屬性2. 光的力學效應及其應用是當今科學研究的前沿問題，是多學科交叉的基礎3. 填補教學空白 光的力學效應實驗的歷史回顧1616年 開普勒提出光壓的概念1873年 麥克斯韋用電磁波的理論 證明了光壓的存在， 具體計算了光的壓力。1895年 光壓的實驗證明列別捷夫扭秤實驗

12、裝置創(chuàng)建光的力學效應實驗的意義普通光源-光的力學性質的研究受到限制。歷史以來物理教科書上對光子的動量這一重要屬性僅作簡略的知識介紹。從對光的認知和物理教學體系來講這是一個非常大的缺憾，是知識的空白點。光鑷是光的力學效應的典范光鑷是利用光與物質相互作用時產生的力學效應這一原理而實現(xiàn)的。光鑷的發(fā)明為直觀生動地演示光的力學效應提供了極好的手段。作者基于863科研成果，利用光鑷技術1999年首次開設了直觀演示和測量光的力學效應的實驗。 開展光的力學效應的教學目的：完善知識結構培養(yǎng)符合時代需要的人才科學技術發(fā)展的需要普及和掌握新技術物理學領域理解光的力學效應 對光的本質的認知和研究非物理學領域 了解光鑷

13、技術和特點學習光鑷儀器的操作和使用開拓光鑷技術的應用傳播知識,宣傳新技術,促進科學技術發(fā)展！ 四光的線性動量實驗實驗目的:加深對光具有動量基本屬性的認識，感知光的力學效應，了解光鑷技術。(預備知識,實驗預習和預習效果檢查)實驗的特殊性如何進入角色一.實驗裝置二.實驗內容 三. 思考題-四. 附錄實驗預習和準備實驗基礎：光學，顯微鏡的使用,首先閱讀實驗講義，理解實驗目的和原理；了解光學微操作儀的功能和儀器的操作要領，希望在具體的實驗研究工作中注意掌握操作要領。在實驗中要用心感受光鑷的力學效應，仔細觀察實驗現(xiàn)象, 體會顯微操作技巧，領略光鑷技術巧奪天工之神奇,將有助于你把握光鑷技術和順利完成實驗。

14、實驗前的心理準備光鑷微操作儀是用于對微小的宏觀粒子進行操控的設備.一個人眼看不見的細胞通過光學放大呈現(xiàn)在我們眼前，本實驗帶領我們進入一個未知的微觀世界！我們要用光鑷來搬運這些微小的細胞，希望它們能夠按照我們的意志運動，我們必須具備操控精度達微米級的能力。操作是極其精致的！實驗具有挑戰(zhàn)性！微米級的操控需要良好的穩(wěn)定環(huán)境，工作時請不要磕碰防震臺，心靜手穩(wěn) ，動作輕巧。用你的智慧和心靈把握光鑷這個無形的機械手，你將能夠自如的遨游在微觀世界！ 光鑷操控的原理和方法操控物體并使之運動-具備能夠產生相對的運動的條件本實驗設計:光鑷靜止,光鑷操控細胞所在環(huán)境運動光捕獲方法: 顯微鏡平臺以速度V帶動樣品池運動

15、,被光鑷捕獲的粒子與環(huán)境產生相對運動顯微鏡平臺光鑷力的測量原理和方法流體力學方法Stokes公式:其中為液體粘滯系數(shù)，R為微粒的半徑，當速度增加到Vmax時,細胞將脫離光鑷的束縛離開光阱,此Vmax為細胞的逃逸速度。 LOT-光鑷微操作儀實驗裝置和光路1.光鑷光源，2.光學耦合器，3.全反射鏡，4.雙向分束板，5.會聚透鏡/高倍物鏡，6.樣品臺，7.樣品池，8.樣品照明電源，9.激光濾波片，10.數(shù)碼攝影頭，11,12.圖象顯示與處理光的力學效應實驗光路圖光鑷系統(tǒng)的參數(shù)光鑷光源780nm，功率100mW酵母細胞直徑約 5m 物鏡可調范圍10mm,微調最小分度2m每小格系統(tǒng)放大約4000 倍平臺

16、調節(jié)范圍：110mm ×70mm視頻圖像每六個像素為1m 每兩幀圖像之間的時間間隔為1/15秒靜態(tài)和動態(tài)顯微圖象實時顯示,記錄,回放計算配套軟件Lasertrap 光鑷系統(tǒng)實驗配套軟件Lasertrap實驗用樣品和附件儀器部件的功能和操作指南注意：緩慢調節(jié)電流調節(jié)旋鈕,電流最大值不要超過“0080”物鏡調節(jié)手輪的調節(jié)方法油浸物鏡的使用油入物鏡后,緩慢上升物鏡。提示：油不能滴太多，不能讓油瓶嘴觸到物鏡頭。顯微成像調節(jié)與光鑷位置的觀察樣品制備先把空樣品池置于樣品臺上，加入適量樣品溶液（如上圖）注意不要使樣品溢出樣品池口。調節(jié)物鏡，使樣品池底面（底玻片的上表面也即溶液的底層）成像。提示：樣

17、品的濃度按實驗的需要隨時進行調整光的力學效應線性動量-實驗內容1光陷阱效應實驗2光鑷在橫向操控微粒實驗3光鑷在縱向操控微粒實驗4最大光阱力的流體力學測量法實驗5光阱力和光功率的關系實驗（選做實驗）6縱向逃逸力的測量實驗（選做實驗）7微米小球的排布（設計型實驗）1 光陷阱效應實驗通過移動樣品臺，使視場中某個微粒接近光阱，靜態(tài)觀察粒子陷入光阱的過程和捕獲粒子的能力，記錄在沒有外力作用的情況下粒子自己陷入光阱前后的位置，計算光阱的作用力范圍，即阱域的大小。2 光鑷在橫向操控微粒實驗利用光鑷在X-Y平面自由操控粒子，觀察動態(tài)過程3 光鑷在縱向操控微粒實驗光鑷捕獲了一微粒，升降物鏡改變光阱在縱向的位置，

18、被捕獲的粒子也隨之沉浮，這時它的像依然清晰，而原先與其在同一層面的粒子，圖像變得逐漸模糊，表明光鑷實現(xiàn)了對粒子的縱向操控。 4 最大光阱力的流體力學測量實驗流體力學中的Stokes公式： 其中為粘滯系數(shù)，r為微粒的半徑，Vmax為逃逸速度。光阱操縱微粒相對流體運動時，微粒將受到液體的粘滯阻力F -測量微粒的逃逸速度。阱力的測量與圖象分析1操控樣品臺，用光鑷捕獲一個酵母細胞(左圖)。點擊視頻捕捉中的錄像鍵，開始錄像。再移動樣品臺，緩慢加速直至小球逃逸，在小球逃逸后停止錄像。用分析錄像軟件打開所錄制的圖像(右圖) 。把視圖中小球完全逃逸的一幀圖像定為標定幀 。 阱力的測量 與圖象分析2分析顯微攝像，截取微粒剛逃出光阱時連續(xù)兩幅圖象，通過兩幅圖象中微粒的位移和截取兩幅的時間間隔，得到微粒逃出光阱時的瞬時速度，然后用這瞬時速度計算光阱的最大阱力。實驗結果 根據(jù)已知條件：移動距離為6 個像素為1m，每幀圖像之間的間隔為1/15秒，實測環(huán)境溫度，通過查 “T-”表得到粘滯系數(shù)，計算求得：酵母細胞的大小在一定光功率下阱域的范圍 縱向阱深細胞的逃逸速度，此刻對應的光鑷力（選做實驗和設計型實驗略）。學生反響（學生實驗報告選摘）通過本實驗，使我們對學光的力學效應，尤其是激光有了更深刻的認識，利用激光操控粒子是技術上的重大創(chuàng)新，從普通物理原理出發(fā)實現(xiàn)了特殊用途實驗雖