5. Волоконная оптика и её применение в эндоскопии.

В начале 50-х годов прошлого столетия в различные отрасли науки и, особенно в медицину, стали внедряться волоконно-оптические элементы, которые способны передавать свет по каналам, называемыми светопроводами.

Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по светопроводам.

В олоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна (или стержня), окружённого веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна (рис.10). Так как при полном внутреннем отражении коэффициент отражения сравнительно высок (К=0,9999), то потери энергии в волокне, в основном, обусловлены поглощением света внутри волокна. Так, например, в волокне 1 м в видимой области спектра теряется от 30 до 70% энергии светового пучка. Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопровода отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) – световоды, которые в медицине используются для решения двух задач: 1) передачи световой энергии для освещения холодным светом внутренних полостей; 2) для передачи изображения.

Для решения первой задачи не имеет значения относительное положение отдельных волокон. Во втором случае очень важно, чтобы расположение волокон в жгуте на входе и выходе было одинаковым, так как в противном случае изображение будет искажено. Волоконная оптика позволила модернизировать существующий раннее медицинский прибор – эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка, бронхи и др.), который состоит из двух частей: источника света и смотровой части, содержащей систему линз. Источник света (миниатюрная лампочка) помещён на конце эндоскопа, который вводится внутрь. Используя волоконную оптику, удалось, во-первых, свет от лампочки передать внутрь органа по световоду и тем самым избегать нежелательного нагревания этого органа, которое возникает при помещении источника света внутрь полости в эндоскопе старой конструкции; во-вторых, гибкость волоконно-оптической системы такого эндоскопа допускает осмотр большей части полостей тела человека, чем жёсткие эндоскопы. Гибкий световод состоит из нескольких десятков тысяч стеклянных нитей в общей защитной оболочке.

Волоконный эндоскоп позволяет не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые фотоснимки с целью диагностики. С помощью световодов можно предать лазерное излучение во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

Лекция №24 тепловое излучение. Фотоэффект.

1. Характеристики теплового излучения. Абсолютно чёрное тело. Серые тела. Закон Кирхгофа.

Электромагнитное излучение нагретых тел, т.е. излучение, обусловленное возбуждением атомов и молекул тела при соударении их в процессе теплового движения, называется тепловым. Оно присуще всем телам, находящимся при любой температуре, выше нуля Кельвина. При этом каждое тело одновременно излучает и поглощает падающее на него излучение от окружающих тел, и, в конечном итоге, должно прийти в состояние теплового (лучистого) равновесия.

Температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой теплового равновесия. Для количественной оценки процессов излучения и поглощения вводится несколько характеристик.

Энергетическая светимость (испускательная способность) R тела – это энергия, испускаемая во всех направлениях с единицы площади тела в единицу времени. Измеряется в Дж/с·м² или Вт/м².

Способность тела поглощать энергию оценивается поглощательной способностью тела A – это отношение энергии электромагнитного излучения, поглощённой телом, к энергии излучения, падающей на него (величина безразмерная).

Опыт показывает, что излучательная и поглощательная способность тела зависит от его природы, температуры и при этом является различной для излучений с различной длиной волны. В связи с этим вводится понятие спектральной испускательной (поглощательной) способности.

Спектральной испускательной способностью R_λ называется величина, рассчитанная для узкого интервала длин волн dλ (от λ до λ+dλ). Аналогично вводится понятие спектральной поглощательной способности (A_λ). Поглощательная способность всех реальных тел меньше единицы. Так, например, для видимой части спектра поглощательная способность алюминия равна 0,1; меди – 0,5; воды – 0,67.

Воображаемое тело, поглощающее при любой температуре всю падающую на него энергию, называется абсолютно чёрным телом. Поглощательная способность такого тела для всех длин волн одинакова и равна единице: A=A_λ=1.

Для видимой части спектра телом, близким к абсолютно чёрному, является сажа (A=0,95). Абсолютно чёрных тел в природе нет, это понятие – физическая абстракция. Моделью абсолютно чёрного тела является маленькое отверстие (рис.1) в замкнутой непрозрачной полости. Луч, падающий в это отверстие, многократно отражается от стенок и почти полностью будет поглощён. Тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называется серым. Серых тел в природе нет, однако, некоторые тела в определённом интервале длин волн излучают и поглощают как серые, так, например, тело человека, имеющее поглощающую способность приблизительно равную 0,9 для инфракрасной области спектра.

Распределение общей энергии сложного электромагнитного излучения между волнами различной длины (распределение энергии излучения “по спектру”) представляет одну из важнейших характеристик излучения.

З акон распределения может быть установлен экспериментально, например, путём разложения излучения в спектр и установления с помощью термопары спектральной испускательной способности R_Δλ, приходящийся на каждый достаточно узкий участок Δλ. Затем для каждого участка вычисляется величина , (r_λ – называют спектральной плотностью энергетической светимости тела), которая и откладывается на графике как функция длины волны. Полученная кривая (рис.2) характеризует распределение энергии излучения по спектру при данной температуре T тела. Полная излучательная способность тела R_T (по всем длинам волн) при температуре T находится как площадь, ограниченная всей кривой и осью абсцисс:

.

Выясним связь между излучательной и поглощательной способностью тела. Представим себе изолированную систему из двух тел, имеющих различную температуру и обменивающихся энергией только путём лучеиспускания и лучепоглощения. Через некоторое время в такой системе установится тепловое равновесие. Обозначим излучательные и поглощательные способности тел при температуре лучистого равновесия соответственно , и , . Предположим, что первое тело испускает с единицы поверхности за 1 секунду в n раз больше энергии, чем второе =n . Но, тогда из условия теплового равновесия, оно должно и поглощать в n раз больше энергии, т.е. =n . Из этого следует: . Если изолированная система состоит из многих тел и одно из них является абсолютно чёрным, то аналогичное рассуждение приведёт к следующему выводу: , где ε – испускательная способность абсолютно чёрного тела (A=1). Эту количественную связь между излучением и поглощением установил в 1859 году Кирхгоф (закон Кирхгофа).

Для всех тел при данной температуре отношение испускательной способности к поглощательной способности есть постоянная величина, равная испускательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа вытекает 3 важные следствия:

1. Испускательная способность любого тела при данной температуре равна произведению его поглощательной способности на испускательную способность абсолютно чёрного тела при той же температуре: R=A·ε.

2. Испускательная способность любого тела меньше испускательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре (R=A·ε, но A<1, следовательно, R<ε).

3. Если тело не поглощает каких либо волн, то оно не испускает их (R_λ=A_λ·ε_λ, поэтому R_λ=0 при A_λ=0).