WYBRANE ZJAWISKA OPTYKI W BADANIACH KRYMINALISTYCZNYCH
Data publikacji 18.09.2015
Świat, który nas otacza jest pełen zjawisk, na które nie zwracamy uwagi w codziennym wirze obowiązków. Wiele z nich znalazło zastosowanie w kryminalistyce.
Świat, który nas otacza jest pełen zjawisk, na które nie zwracamy uwagi w codziennym wirze obowiązków. Wiele z nich znalazło zastosowanie w kryminalistyce.
Na wstępie należy przedstawić wybrane pojęcia-zjawiska optyczne, które są wykorzystywane w kryminalistyce. Newton jako pierwszy poprawnie sformułował zagadnienie barwnych pasm, które są wytwarzane przy rozszczepianiu światła słonecznego przy użyciu pryzmatów, otrzymując widmo o ciągłym przejściu od czerwieni do fioletu poprzez wszystkie barwy tęczy.
Barwniki - związki chemiczne, które intensywnie absorbują promieniowanie elektromagnetyczne w obszarze widzialnym, bliskiej podczerwieni oraz nadfioletu, a następnie dalej przekształcają pochłoniętą energię. Przekazują tę zdolność przedmiotom, na które są nałożone.
Wybielacze optyczne - związki, które część pochłoniętej energii przekształcają na energię cieplną i przekazują ją otoczeniu, a pozostałą zaabsorbowaną energię wydzielają w postaci promieniowania o dłuższej fali np. pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne w nadfiolecie i emitują w obszarze niebieskim.
Światło - fala elektromagnetyczna, promieniowanie elektromagnetyczne. Długość fali jest zdefiniowana jako stosunek prędkości światła do częstości drgań elektromagnetycznych. W 1807 roku Thomas Young wykazał, że światło jest rzeczywiście falą i zmierzył jej średnią długość tj. ok. 570 nm za pomocą następującego układu przedstawionego na poniższym rysunku:
Maksimum interferencyjne uzyskujemy, gdy różnica dróg optycznych jest równa zeru lub całkowitej liczbie długości fal. Natomiast minimum, gdy różnica dróg optycznej wynosi nieparzystą wielokrotność połowy długości fali.
Dyfrakcja światła - ugięcie światła. Gdy światło natrafia na przeszkody, następuje odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się światła. Następuje rozmycie granicy cienia i światła - pojawiają się prążki na granicy cienia. Fresnel zjawisko ugięcia fali zbadał za pomocą następującego schematu doświadczalnego:
Luminescencja – (według Wawiłowa) nadmiar emisji promieniowania danego ciała nad jego promieniowaniem cieplnym w danym obszarze widma i w danej temperaturze, gdy emisja ta wykazuje trwałość w czasie min. rzędu 10-10s[1]. Ze względu na czas zaniku świecenia luminescencje dzielimy na fluorescencje, którą charakteryzuje krótki czas zaniku oraz fosforescencje, której czas zaniku jest długi.
Mechanizm procesów fluorescencji oraz fosforescencji przedstawia tzw. schemat Jabłońskiego.
Aby cząsteczka wyemitowała foton musi najpierw zostać wzbudzona. Najprostszym sposobem wzbudzenia cząsteczki jest, dostarczenie jej kwantu promieniowania o energii równej minimum różnicy między poziomami energetycznymi stanu podstawowego oraz stanu wzbudzonego. Aby zrozumieć istotę zjawiska luminescencji należy przytoczyć następującą informację. Otóż cząsteczka po zaabsorbowaniu (pochłonięciu) kwantu energii hν1 dąży do pozbycia się nadmiaru energii i powrotu do stanu równowagi termicznej. Nadmiaru energii pozbywa się na dwa sposoby tj. promieniście lub bezpromieniście. Bezpromieniście cząsteczka pozbywa się nadmiaru energii oscylacyjnej i rotacyjnej podczas zderzeń nieelastycznych. W sposób promienisty natomiast cząsteczka pozbywa się nadmiaru energii wzbudzenia elektronowego. Powróćmy myślami do schematu Jabłońskiego. W wyniku pochłaniania promieniowania atom przechodzi ze stanu podstawowego S0 do stanu, który jest stanem energetycznie wyższym. Przyjmijmy, iż będzie to stan oznaczony na schemacie jako S2. W tym przejściu jeden z dwóch elektronów najwyższego obsadzonego w cząsteczce orbitalu molekularnego HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) przechodzi na niższy orbital nieobsadzony przez bezpromienistą dezaktywację po czasie około 10-13s tzw. LUMO - na niższy poziom oscylacyjny stanu S2. Dwa elektrony na orbitalu HOMO zgodnie z zakazem Pauliego mogą mieć antyrównolegle skierowane spiny. Wówczas sumaryczna liczba spinowa wynosi zero. Taki stan podstawowy większości cząsteczek określony jest jako stan singletowy. Atom przez cały czas traci energię i przez bezpromieniste straty energii przechodzi do stanu S1 o czasie życia 10-8s. Następnie cząsteczka powraca już do stanu podstawowego S0 emitując tym samym światło fluorescencyjne. Jeśli cząsteczka emituje foton ze stanu singletowego mamy do czynienia ze zjawiskiem fluorescencji. W momencie, gdy cząsteczka przebywa w stanie singletowym może dojść do zmiany wzajemnej orientacji spinów obu elektronów tj. z antyrówloległej na równoległą. Wówczas zachodzi przejście tzw. interkombinacyjne do stanu tripletowego. Emisję fotonu ze stanu tripletowego nazywamy fosforescencją.
Wszystkie powyżej przedstawione zjawiska fizyczne znalazły zastosowanie podczas badań dokumentów oraz podczas ujawnianie śladów kryminalistycznych.
Zabezpieczenia dokumentów można podzielić na trzy poziomy zabezpieczeń:
- poziom 1 - „dla człowieka z ulicy”,
- poziom 2 – „dla urzędników”,
- Poziom 3 – „specjalistyczny”.
Zabezpieczenia ze względu na technologię wprowadzania dzielimy na:
- zabezpieczenia wprowadzane w produkcji podłoża dokumentu,
- zabezpieczenia wprowadzane w procesie drukowania,
- zabezpieczenia specjalne – wprowadzane w niezależnym procesie technologicznym.
Podłoże dokumentu:
ZNAK WODNY
Znaki wodne ze względu na stopień przezroczystości dzielimy na:
a) znaki wodne jednotonowe:
- jasnolinijne – jaśniejsze od podstawowego prześwitu podłoża,
- ciemnolinijne – ciemniejsze od podstawowego prześwitu podłoża,
b) znaki wodne wielotonowe (kombinowane) – jaśniejsze i ciemniejsze występujące w różnych układach.
Dokument poddany działaniu promieni przechodzących:
WŁÓKNA I BROKI:
Zabezpieczenie dokumentu za pomocą włókien i broków polega na wprowadzeniu ich do masy papierniczej w ściśle określonej ilości. Wykonane są one z włókna lnianego lub bawełny jak również są wełniane lub syntetyczne. Włókna mają długość około 3-5mm. Broki to krążki syntetyczne średnicy 1-1,5mm.
NITKA ZABEZPIECZAJĄCA:
Nitka zabezpieczająca jest wykonana z tworzywa sztucznego, metalizowana lub jako nitka holograficzna. Najczęściej jest to nitka szerokości 0,5-1,5mm. Nitka zabezpieczająca wyczuwalna jest w dotyku i widzialna w świetle przechodzącym.
Na nitkach stosuje się dodatkowe zabezpieczenie nakładające na nią mikrodruk lub pokrywając ją substancjami, które wykazują luminescencję w promieniach ultrafioletowych.
Farby zabezpieczające:
Farby stosowane do zabezpieczeń dokumentów:
- o właściwościach magnetycznych, przewodzących prąd elektryczny,
- o zróżnicowanej absorpcji w podczerwieni,
- widzialne w promieniach ultrafioletowych o długości fali 254nm i 356nm,
- metalizowane,
- zmiennooptyczne,
- nieodporne na rozpuszczalniki lub działanie wody,
- metameryczne,
- antystockesowskie ,
Farba zmienna optycznie (interferencyjna)
post. mgr Wojciech Apiecionek
mgr inż. Krzysztof Wilke
Na wstępie należy przedstawić wybrane pojęcia-zjawiska optyczne, które są wykorzystywane w kryminalistyce. Newton jako pierwszy poprawnie sformułował zagadnienie barwnych pasm, które są wytwarzane przy rozszczepianiu światła słonecznego przy użyciu pryzmatów, otrzymując widmo o ciągłym przejściu od czerwieni do fioletu poprzez wszystkie barwy tęczy.
Wybielacze optyczne - związki, które część pochłoniętej energii przekształcają na energię cieplną i przekazują ją otoczeniu, a pozostałą zaabsorbowaną energię wydzielają w postaci promieniowania o dłuższej fali np. pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne w nadfiolecie i emitują w obszarze niebieskim.
Światło - fala elektromagnetyczna, promieniowanie elektromagnetyczne. Długość fali jest zdefiniowana jako stosunek prędkości światła do częstości drgań elektromagnetycznych. W 1807 roku Thomas Young wykazał, że światło jest rzeczywiście falą i zmierzył jej średnią długość tj. ok. 570 nm za pomocą następującego układu przedstawionego na poniższym rysunku:
Dyfrakcja światła - ugięcie światła. Gdy światło natrafia na przeszkody, następuje odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się światła. Następuje rozmycie granicy cienia i światła - pojawiają się prążki na granicy cienia. Fresnel zjawisko ugięcia fali zbadał za pomocą następującego schematu doświadczalnego:
Mechanizm procesów fluorescencji oraz fosforescencji przedstawia tzw. schemat Jabłońskiego.
Aby cząsteczka wyemitowała foton musi najpierw zostać wzbudzona. Najprostszym sposobem wzbudzenia cząsteczki jest, dostarczenie jej kwantu promieniowania o energii równej minimum różnicy między poziomami energetycznymi stanu podstawowego oraz stanu wzbudzonego. Aby zrozumieć istotę zjawiska luminescencji należy przytoczyć następującą informację. Otóż cząsteczka po zaabsorbowaniu (pochłonięciu) kwantu energii hν1 dąży do pozbycia się nadmiaru energii i powrotu do stanu równowagi termicznej. Nadmiaru energii pozbywa się na dwa sposoby tj. promieniście lub bezpromieniście. Bezpromieniście cząsteczka pozbywa się nadmiaru energii oscylacyjnej i rotacyjnej podczas zderzeń nieelastycznych. W sposób promienisty natomiast cząsteczka pozbywa się nadmiaru energii wzbudzenia elektronowego. Powróćmy myślami do schematu Jabłońskiego. W wyniku pochłaniania promieniowania atom przechodzi ze stanu podstawowego S0 do stanu, który jest stanem energetycznie wyższym. Przyjmijmy, iż będzie to stan oznaczony na schemacie jako S2. W tym przejściu jeden z dwóch elektronów najwyższego obsadzonego w cząsteczce orbitalu molekularnego HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) przechodzi na niższy orbital nieobsadzony przez bezpromienistą dezaktywację po czasie około 10-13s tzw. LUMO - na niższy poziom oscylacyjny stanu S2. Dwa elektrony na orbitalu HOMO zgodnie z zakazem Pauliego mogą mieć antyrównolegle skierowane spiny. Wówczas sumaryczna liczba spinowa wynosi zero. Taki stan podstawowy większości cząsteczek określony jest jako stan singletowy. Atom przez cały czas traci energię i przez bezpromieniste straty energii przechodzi do stanu S1 o czasie życia 10-8s. Następnie cząsteczka powraca już do stanu podstawowego S0 emitując tym samym światło fluorescencyjne. Jeśli cząsteczka emituje foton ze stanu singletowego mamy do czynienia ze zjawiskiem fluorescencji. W momencie, gdy cząsteczka przebywa w stanie singletowym może dojść do zmiany wzajemnej orientacji spinów obu elektronów tj. z antyrówloległej na równoległą. Wówczas zachodzi przejście tzw. interkombinacyjne do stanu tripletowego. Emisję fotonu ze stanu tripletowego nazywamy fosforescencją.Wszystkie powyżej przedstawione zjawiska fizyczne znalazły zastosowanie podczas badań dokumentów oraz podczas ujawnianie śladów kryminalistycznych.
Zabezpieczenia dokumentów można podzielić na trzy poziomy zabezpieczeń:
- poziom 1 - „dla człowieka z ulicy”,
- poziom 2 – „dla urzędników”,
- Poziom 3 – „specjalistyczny”.
Zabezpieczenia ze względu na technologię wprowadzania dzielimy na:
- zabezpieczenia wprowadzane w produkcji podłoża dokumentu,
- zabezpieczenia wprowadzane w procesie drukowania,
- zabezpieczenia specjalne – wprowadzane w niezależnym procesie technologicznym.
Podłoże dokumentu:
ZNAK WODNY
Znaki wodne ze względu na stopień przezroczystości dzielimy na:
a) znaki wodne jednotonowe:
- jasnolinijne – jaśniejsze od podstawowego prześwitu podłoża,
- ciemnolinijne – ciemniejsze od podstawowego prześwitu podłoża,
b) znaki wodne wielotonowe (kombinowane) – jaśniejsze i ciemniejsze występujące w różnych układach.
Dokument poddany działaniu promieni przechodzących:
WŁÓKNA I BROKI:
Zabezpieczenie dokumentu za pomocą włókien i broków polega na wprowadzeniu ich do masy papierniczej w ściśle określonej ilości. Wykonane są one z włókna lnianego lub bawełny jak również są wełniane lub syntetyczne. Włókna mają długość około 3-5mm. Broki to krążki syntetyczne średnicy 1-1,5mm.
NITKA ZABEZPIECZAJĄCA:
Nitka zabezpieczająca jest wykonana z tworzywa sztucznego, metalizowana lub jako nitka holograficzna. Najczęściej jest to nitka szerokości 0,5-1,5mm. Nitka zabezpieczająca wyczuwalna jest w dotyku i widzialna w świetle przechodzącym.
Farby zabezpieczające:
Farby stosowane do zabezpieczeń dokumentów:
- o właściwościach magnetycznych, przewodzących prąd elektryczny,
- o zróżnicowanej absorpcji w podczerwieni,
- widzialne w promieniach ultrafioletowych o długości fali 254nm i 356nm,
- metalizowane,
- zmiennooptyczne,
- nieodporne na rozpuszczalniki lub działanie wody,
- metameryczne,
- antystockesowskie ,
Farba zmienna optycznie (interferencyjna)
mgr inż. Krzysztof Wilke
Autor:
Publikacja: