Тема: Теплове випромінювання. Теплобачення в медицині . Резонансні методи квантової механіки. ЯМР-томографія

План

1. Характеристики теплового випромінювання.

2. Терморегуляція в живому організмі.

3. Температурна топографія тіла людини. Інфрачервона термографія.

4. Резонансні методи квантової механіки. Ефект Зеємана.

5. Електронний парамагнітний резонанс.

6. Ядерний магнітний резонанс. ЯМР-томографія

Характеристики теплового випромінювання

Електромагнітне випромінювання нагрітих тіл, зумовлене збудженням атомів і молекул тіла під час співударів у процесі їх теплового руху, називають тепловим. Воно властиве всім тілам, які мають температуру вищу від абсолютного нуля. При цьому кожне тіло одночасно і випромінює, і поглинає падаюче на нього випромінювання від навколишніх тіл.

Потік випромінювання з 1 м² поверхні називають енергетичною світимістю. У СІ вона вимірюється у Вт/м².

Енергетична світимість тіла визначається за формулою:

Спектром випромінювання тіла називають залежність спектральної густини енергетичної світимості від довжини хвилі.

Здатність тіла поглинати енергію випромінювання характеризується коефіцієнтом поглинання, рівним відношенню поглинутого тілом потоку випромінювання до падаючого потоку:

Коефіцієнт поглинання може набувати значень від 0 до 1. Особливо добре поглинають випромінювання тіла чорного кольору.

Тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці для усіх частот, називається абсолютно чорним тілом.

Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Ідеальною моделлю абсолютно чорного тіла є замкнена порожнина з невеликим отвором, вкрита зсередини чорною фарбою. Промінь світла, потрапивши у порожнину, зазнає багаторазового відбивання від стінок, у результаті чого інтенсивність випромінювання, яке виходить з порожнини, практично дорівнює 0.

Поряд з поняттям абсолютно чорного тіла використовують поняття сірого тіла — тіла, коефіцієнт поглинання якого менший від одиниці і не залежить від довжини хвилі, а залежить від температури матеріалу та стану поверхні тіла. Тіло людини приймають за сіре тіло.

З в'язок між енергетичною світимістю й температурою встановлено в законі Стефана-Больцмана

Енергетична світимість абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню його термодинамічної температури, де σ — стала, рівна 5,67*10^-8 Вт/м²К⁴). Проте цей закон не пояснює спектрального складу випромінювання абсолютно чорного тіла. Аналізуючи експериментальні криві при різних температурах, можна зауважити нерівномірність у розподілі енергій. Усі криві мають максимум, який під час зростання температури зміщується в сторону коротших хвиль:

У 1893р. Він використовуючи закони термо- та електродинаміки, встановив залежність довжини хвилі λ_max яка відповідає максимуму функції r_λ від температури Т. Згідно з законом змішення Віна ,

тобто, довжина хвилі, що відповідає максимуму спектральної густини енергетичної світимості абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його термодинамічній температурі, а стала Віна b = 2,9 *10 ^-3 м*К.

Закони Стефана-Больцмана і Віна дають змогу, реєструючи випромі­нювання тіл, знайти їх температури.

Терморегуляція у живому організмі

Тіло людини має. постійну температуру завдяки терморегуляції. Основною частиною терморегуляції є теплообмін організму з навколишнім середовищем.

Теплообмін відбувається шляхом теплопровідності, конвекції, випаровування та випромінювання (поглинання) тепла тілом людини. Розподіл відданої теплоти у названих вище процесах залежить від багатьох факторів: енергетичного стану організму, середовища, одягу. Внаслідок малої теплопровідності повітря теплообмін за рахунок теплопровідності незначний; 15—20% тепловіддачі людини здійснюється конвекцією. Випаровування відбувається з поверхні шкіри і легень, при цьому теплові втрати становлять приблизно 30%. Найбільша доля теплових втрат (50%) припадає на випромінювання з відкритих частин тіла та одягу. Основна частина цього випромінювання відноситься до інфрачервоного діапазону.

Максимум спектральної густини енергетичної світимості згідно з законом Віна припадає на довжину хвилі 9,5 мкм при температурі поверхні шкіри 32^оС.

Енергетична світимість у великій мірі залежить від термодинамічної температури, тому навіть незначне підвищення температури поверхні може зумовити таку зміну потужності випромінювання, яка фіксується приладами.

Відносна зміна енергетичної світимості більша від відносної зміни температури у 4 рази.

Життя існує у досить вузькому діапазоні температур. Порівняно невелика кількість живих істот (ссавців) може підтримувати внутрішню температуру близькою до сталої. До таких істот належить і людина. У більшості людей температура (пахвинна)—36,6 — 36,8^оС. Температура внутрішніх органів вища і досягає максимуму у печінці і нирках (38,0 — 39,0°С). Людина достатньо термостабільна і при підвищенні температури навколишнього середовища на 10°С температура її тіла зростає лише приблизно на 0,2°С. Споживання кисню організмом людини під час підвищення температури тіла на кожен градус збільшується приблизно на 7%, а швидкість біохімічних реакцій в організмі подвоюється при підвищенні температури на 10 С.

Теплота продукується в організмі внаслідок хімічних процесів, які відбуваються постійно, зокрема, окислювальних. Окислювальні процеси відбуваються в усіх тканинах організму. В одних тканинах ці процеси проходять досить енергійно (м'язи, печінка), а в інших — менш енергійно (хрящі, кості, сухожилки). При цьому температура середовища та тіла визначає інтенсивність хімічних процесів, що перебігають в організмі.

Важливу роль у живому організмі відіграє його теплова адаптація. Під час охолодження тіла обмін речовин і енергія зростає, вмикається механізм хімічної терморегуляції організму. Хімічні процеси в організмі є переважно екзотермічними. Температура визначає швидкість хімічних реакцій в організмі і разом з тим є одним з факторів, що контролює ріст та метаболізм живого організму.

Температура клітин з активним метаболізмом повніша бути вища за температуру навколишнього середовища.

Організм людини масою 70 кг за 24 години виробляє 2400 кілокалорій, що достатньо для того, щоб підвищити температуру тіла від 0°С до 40°С. Проте температура тіла стала, що свідчить про постійну втрату теплоти.

В організмі людини регулювання теплоти за рахунок тепловіддачі відіграє важливу роль. Головна тепловіддаюча поверхня - поверхня шкіри, через яку передасться близько 4/5 усієї теплоти. Тепловіддача суттєво залежить від площі поверхні тіла, його маси і росту.

На постійність температури організму суттєво впливають ліпіди їжі.

Яким чином температура зумовлює біохімічні зміни в організмі до кінця не з'ясовано. Ймовірно, що важливу роль у цьому відіграють гормони. Механізми терморегуляції активуються двома способами: подразненням термоцентрів та безпосереднім подразненням центрів терморегуляції а мозку внаслідок зміни температури шкіри.