fizika_zachet_1-5_1_1_(1)

Физические основы принципа работы фотоколориметра Основной принцип работы фотоколориметра заключается в сравнении между собой двух световых потоков – так

называемого фонового, который был пропущен через раствор сравнения, и основного, который проходил сквозь исследуемый раствор. Фоновый световой поток корректируется при этом каналом сравнения. Отношение основного светового потока к фоновому называют пропусканием Т (или же коэффициентом пропускания). Оптическая плотность А (или же поглощение) выражается десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания. Таким образом, концентрация растворенного в исследуемой среде вещества прямо пропорциональна оптической плотности А среды. Вышеназванные два световых потока и тот, что определяется при неосвещенном фотоприемнике, фотоприемник преобразует в соответствующие электрические сигналы. Микропроцессор прибора обрабатывает эти электрические сигналы и отображает их на цифровом дисплее фотоколориметра уже в виде оптической плотности А и коэффициента пропускания Т. Для определения пропускания Т и поглощения А микропроцессору приходится производить определенные вычисления по достаточно простым формулам. В этом и заключается принцип работы фотоколориметра. Принципы градуировки при работе фотоколориметра В случае, когда оптическая плотность исследуемого раствора прямо пропорциональна концентрации растворенного

вещества во всех областях исследуемых концентраций, принцип работы фотоколориметра позволяет использовать для градуировки прибора один стандартный раствор. Но в наиболее общих случаях зависимость между поглощением А и концентрацией исследуемого раствора может и не быть линейной. В таких случаях для градуировки устройства приходится использовать два или больше стандартных растворов. Соответственно, определение массовых концентраций веществ согласно выбранной методике выполнения измерений производится по градуировочным графикам зависимости измеренных значений коэффициентов пропускания (или же оптической плотности) от концентрации определяемых веществ, построенным по указанным в методике выполнения измерений контрольным растворам.Градуировочные графики строятся вручную или же с помощью поставляемого вместе с прибором программного обеспечения

Устройство фотоколориметра вытекает из принципа работы

Принцип работы фотоколориметра определяет, что чаще всего устройство относят к категории малогабаритных переносных приборов, оснащенных автономным питанием. В состав фотоколориметра входят, как правило, оптический блок, блок управления и последующей обработки информации, блок индикации, оснащенный подсветкой, клавиатура, кювета и кюветный отсек. Источниками излучения в оптическом блоке являются 8 полупроводниковых высокостабильных светодиодов, которые определяют рабочий диапазон по длине волн излучения. На канале сравнения и измерительном канале для приема излучения применяются цифровые фотодиоды. Основой блока управления и обработки информации является микропроцессор. Возможно включение режима самоконтроля с последующим выводом информации о степени готовности к работе на ЖКИ или дисплей. Для подключения к компьютерам в принцип работы фотоколориметра заложена возможность использования соответствующего интерфейса.

18. Электронные переходы в возбужденной молекуле

По длительности и спектральному составу молекулярную люминесценцию можно разделить на флуоресценцию (кратковременную и замедленную) и фосфоресценцию. Чтобы понять происхождение различных видов люминесценции, необходимо рассмотреть, какие переходы осуществляются в молекуле при поглощении ею фотонов.

Основное состояние молекулы с четным числом электронов является синглетным и обозначается S0.

В этом состоянии энергия молекулы минимальна, все электроны спарены, а их спины антипараллельны. Поглощение фотона с энергией E1 сопровождается возбуждением молекулы и переходом электрона за время » 10–15 сна более высокий синглетный уровень S1 без изменения спина.

Возбужденная молекула обладает некоторым избытком колебательной энергии. Этот избыток вследствие колебательной релаксации (КР) теряется в виде тепловой энергии, а сама молекула за время » 10–12 с оказывается на нижнем колебательном уровне первого возбужденного состояния S1.

Энергия поглощенного фотона E2 может оказаться достаточной для перевода молекулы и на более высокий уровень — S2. Вследствие внутренней конверсии (ВК), обусловленной перекрыванием колебательных уровней, и колебательной релаксации молекула за время ≈ 10–11 соказывается, как и в первом случае, на нижнем колебательном уровне состояния S1.

Поскольку состояние S1отделено от основного состояния S0 значительным энергетическим интервалом, безызлучательная дезактивация энергии за счет внутренней конверсии и колебательной релаксации затруднена и становится возможной прямая излучательная дезактивация с флуоресценцией (Фл). Испускание фотонов флуоресценции происходит при переходе электрона с нулевого колебательного уровня состояния S1 на любой колебательный уровень основного состояния S0. Флуоресценция является кратковременным свечением с длительностью 10–10–10–7 с и наблюдается при комнатной температуре. Энергия фотонов флуоресценции меньше энергии фотонов поглощения.

С очень малой вероятностью электрон возбужденной молекулы может изменить свой спин. Такое состояние называетсятриплетным и обозначается буквой T. Энергия триплетного состояния T1 ниже энергии соответствующего синглетного состояния S1. Безызлучательный переход между синглетным S1 и триплетным T1 состоянием называется интеркомбинационной конверсией (ИКК). Этот переход происходит за время 10–9–10–7 с и может конкурировать с флуоресценцией, полностью подавляя последнюю. Молекула, перешедшая в результате интеркомбинационнойконверсии на возбужденный колебательный уровень триплетного состояния, быстро релаксирует (КР) до самого низшего колебательного состояния T1. При определенных условиях (обычно при низкой температуре, –196° С, в отсутствие

парамагнитных молекул) для триплетных молекул оказывается возможным запрещенный переход с уровня T1 на уровень S0 с излучением фотонов фосфоресценции (Фс). Это свечение имеет значительно большую длительность 10–4– 102 с. Энергия фотонов фосфоресценции меньше энергии фотонов флуоресценции.

В диапазоне температур от комнатной до очень низкой интенсивности флуоресценции и фосфоресценции изменяются в соответствии с относительной эффективностью различных конкурирующих процессов дезактивации электронновозбужденных состояний. Обычно у молекул, сильно фосфоресцирующих при низкой температуре, при комнатной наблюдается слабая флуоресценция. С понижением температуры интенсивность их флуоресценции возрастает вплоть до того момента, когда температура и вязкость раствора становятся благоприятными для испускания фосфоресценции. При дальнейшем понижении температуры квантовый выход флуоресценции становится постоянным, а квантовый выход фосфоресценции увеличивается до тех пор, пока их сумма не станет приблизительно равной единице.

Помимо флуоресценции и фосфоресценции, существует еще один вид свечения, который идентичен по спектральному составу флуоресценции, но характеризуется длительностью, свойственной фосфоресценции. Этот вид свечения называют замедленной флуоресценцией, поскольку перед излучением фотонов молекула некоторое время находится в триплетном состоянии. Различают два типа замедленной флуоресценции: Е- и Р-типа.

Замедленная флуоресценция Е-типа наблюдается у эозина и других красителей. Механизм ее возбуждения можно представить следующим образом (рис. 14.4.74).

Вследствие термической активации (D Е) молекулы, находящиеся на нулевом колебательном уровне триплетного состояния Т1, переходят на более высокий колебательный уровень этого состояния, а за счет интеркомбинационной конверсии — в первое возбужденное синглетное состояние S1. Из синглетного состояния S1 молекула возвращается в основное состояние S0, испуская квант лучистой энергии. Процессы, вызывающие появление замедленной флуоресценции Е-типа, можно описать схемой

Т1 + D Е ® S1

S1 ® S0 + hn .

Замедленная флуоресценция P-типа наблюдается у пирена и некоторых ароматических углеводородов. Механизм ее возникновения следующий. В результате столкновения двух молекул, находящихся в триплетном состоянии Т1, одна их них переходит в возбужденное состояние S1. Переход ее в основное состояние S0 из возбужденного S1 сопровождается испусканием фотона. Схематически механизм возникновения замедленной флуоресценции Р-типа можно описать в виде

Т1 + Т1 ® S1 + S0

S1 ® S0 + hn .

Условия проявления замедленной флуоресценции довольно специфичны. Этот тип молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов. По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры.

Картина относительного расположения спектров поглощения, флуоресценции, замедленной флуоресценции и фосфоресценции показана на рис. 14.4.75.

Интенсивность замедленной флуоресценции составляет несколько процентов от интенсивности флуоресценции. У некоторых молекул основное электронное состояние является не синглетным, а триплетным. Примером может служить молекула кислорода. Слабая флуоресценция молекул кислорода, наблюдаемая в ближней ИК-области,

обусловлена переходом из низшего возбужденного синглетного состояния в основное. У молекул радикалов с одним неспаренным электроном основное состояние дублетное, а низшие возбужденные состояния — дублетное и квартетное. Их флуоресценция вызвана переходом из низшего возбужденного дублетного состояния в основное.

19. Люминесценция.

Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре, и продолжающееся после поглощения энергии возбуждения в течение времени, которое значительно превышает период световых волн. Люминесценция, в отличие от теплового свечения, является неравновесным излучением. Для того чтобы вызвать люминесценцию вещества, к нему необходимо подвести извне определенное количество энергии. Частицы вещества (атомы, молекулы), поглощая поступающую извне энергию, переходят в возбужденное энергетическое состояние. Возбужденные частицы довольно быстро теряют избыточную энергию и переходят в основное состояние. Такой переход может совершаться с излучением фотонов люминесценции

или безызлучательно, путем передачи энергии окружающим частицам в виде тепла. Для возникновения люминесценции необходимо, чтобы вероятность излучательных переходов превышала вероятность безызлучательных переходов. Таким образом, явление люминесценции связано с преобразованием поглощенной частицами вещества энергии внешнего источника в энергию их собственного излучения.

Вещества могут люминесцировать, находясь в любом агрегатном состоянии — газообразном, жидком (растворы веществ), твердом (стекла, кристаллические вещества). Основным условием люминесценции является наличие у веществ дискретных энергетических спектров. Вещества с непрерывным энергетическим спектром (например, металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, поскольку энергия возбуждения у них непрерывно переходит в теплоту.

Общее название веществ, обладающих способностью люминесцировать — люминофоры. Так же называются неорганические люминофоры. Сложные неорганические кристаллические люминофоры с дефектной структурой, вызванной внедрением в их кристаллическую решетку ионов тяжелых металлов (активаторов), называют кристаллофосфорами. Органические люминофоры принято называть органолюминофорами.

14.4.7.1. Виды люминесценции

Явления люминесценции многообразны по своим свойствам и происхождению, их можно классифицировать по разным признакам.

В основу первой классификации была положена длительность процесса свечения, определяемая средним промежутком времени между актом возбуждения и актом испускания кванта люминесценции. По длительности свечения все виды люминесценции разделили на флуоресценцию и фосфоресценцию. К флуоресценции стали относить свечения, мгновенно (в течение до 10-8 с, затухающие после прекращения их возбуждения, а к фосфоресценции — свечения, продолжавшиеся заметный промежуток времени (от 10-6 с и более) после прекращения возбуждения. В настоящее время термины «флуоресценция» и «фосфоресценция» обычно применяют для того, чтобы отличить люминесценцию, возникающую при переходах между электронными уровнями одной мультиплетности (например, синглет-синглетный переход) от переходов между электронными уровнями разной мультиплетности (например, триплет-синглетный переход).

14.4.7.2. Основные характеристики люминесценции

Важнейшими характеристиками фотолюминесценции частиц вещества являются их спектры поглощения, люминесценции и возбуждения.

Спектры поглощения частиц обусловлены электронными переходами из основного состояния в возбужденное, а спектры их люминесценции — электронными переходами из возбужденного состояния в основное. Спектры поглощения представляют в виде зависимости величины поглощения от частоты или длины волны. Величина поглощения может быть выражена процентом пропускания (Т, %), оптической плотностью (А) или коэффициентом молярного поглощения (e ). При представлении спектра поглощения в виде кривых Т, % = f(n ), A = f(n ) или Т, % = f(l ), A = f(l ) указывают толщину поглощающего слоя (l) и концентрацию вещества (с). Спектры люминесценции представляют в виде зависимости интенсивности люминесценции (I) от частоты или длины волны излучения.

Спектры возбуждения характеризуют активное поглощение люминесцирующих частиц. Их представляют в виде зависимости интенсивности люминесценции от частоты или длины волны возбуждающего света. У веществ, люминесцирующих по типу дискретных центров, спектры возбуждения идентичны спектрам поглощения и могут отличаться от них только вследствие инструментальных искажений. У частиц с рекомбинационным механизмом свечения спектры возбуждения, как правило, существенно отличаются от спектров поглощения.

Люминесценция частиц вещества возникает за счет поглощения энергии возбуждения. Однако в энергию люминесценции превращается не вся поглощенная ими энергия. Эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию люминесценции характеризуют выходом люминесценции.

Энергетический выход люминесценции определяется отношением излучаемой частицами вещества энергии Ее к поглощенной ими энергии возбуждения Еа:

. (14.4.79)

Для фотолюминесценции вводится также понятие квантового выхода, представляющего собой отношение числа квантов люминесценции Nе к числу поглощенных квантов возбуждающего света Nа:

. (14.4.80)

Так как энергия кванта равна hn , то между квантовым и энергетическим выходами существует соотношение

, (14.4.81)

где n е, l е — частота и длина волны испускаемого светового кванта; n а, l а — частота и длина волны поглощенного излучения.

Выход люминесценции является характеристическим параметром вещества при фиксированных условиях и значениях внешних параметров. Уменьшение выхода люминесценции носит название тушения люминесценции. Тушение может происходить в результате повышения температуры (температурное тушение) и концентрации люминофора (концентрационное тушение), при добавлении различных посторонних веществ (тушение посторонними веществами). Важной характеристикой люминесценции является ее длительность, называемая также средним временем жизни или средней длительностью возбужденного состояния.

Флуоресцентные зонды типа пирена весьма гидрофобны по своей природе и растворяются во внутреннем, гидрофобном ядре мицеллы. Однако в присутствии определенных молекул, называемых тушителями, затухание флуоресценции может значительно ускоряться. Скорость, с которой тушитель входит в мицеллу и / или флуоресцентный зонд диффундирует в ядре мицеллы определяет кинетику процессов тушения. Следовательно, кинетический анализ затухания флуоресценции в отсутствие и в присутствии различных тушителей дает информацию относительно проницаемости мицеллы для тушителя.

Поскольку спектр флуоресценции нафтильной группы перекрывается со спектром поглощения дансильной группы, эффективность такого переноса энергии должна быть достаточно высокой. Обратите внимание, насколько хорошо выполняется пропорциональность эффективности переноса г-в; при этом 0 3 4 нм. Присоединяя флуоресцентные зонды к родопсину, являющемуся рецептором видимого света, By и Страйер смогли оценить расстояния между специфическими участками молекулы, что позволило им сделать некоторые заключения относительно общей формы молекулы. [2] Люминесцентные зонды и метки. В медицине используется применение специальных флуоресцирующих молекул, добавляемых к исследуемым биологическим системам извне, в которых они распределяются в соответствии со своими свойствами. Примером использования флуоресцентных зондов является метод флюоресцентной ангиографии - контрастирование сосудов флуоресцеином и их последующее фотографирование. Этот краситель вводится внутривенно пациентам. Этот краситель не токсичен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции. Он разносится с током крови по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждается невидимым длинноволновым ультрафиолетовым излучением. Люминесценция его наблюдается в видимом свете. Диагностическая значимость этого метода заключается в том, что по скорости появления флуоресценции ( люминесценции) в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением. [3] Применение люминесценции для аналитических целей включает широкую область использования ее для идентификации

веществ, для обнаружения малых концентраций веществ, для контроля изменений, претерпеваемых веществом, для определения степени чистоты веществ. Широко применяются измерения люминесценции при изучении кинетики обычных химических реакций. Высокая чувствительность метода позволяет фиксировать малую степень превращения веществ, а иногда по люминесценции промежуточных соединений становится возможным установить механизм химической реакции. Люминесцентные методы используются в биологии, в частности для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондов и меток. [4]

Применение люминесценции для аналитических целей включает широкую область использования ее для идентификации веществ, для обнаружения малых концентраций веществ; для контроля изменений, претерпеваемых веществом; для определения степени чистоты веществ. Широко применяются измерения люминесценции при изучении кинетики обычных химических реакций. Высокая чувствительность метода позволяет фиксировать малую степень превращения, а иногда по люминесценции промежуточных соединений становится возможным установить механизм химической реакции. Люминесцентные методы используются в биологии, в частности, для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондови меток. [5]

20. Фотобиологический процесс. Спектр фотобиологического действия.

Фотобиологический процесс – процесс начинающийся с поглощения света биологическими соединениями и заканчивающийся определенными физиологическими реакциями организма.

Фотобиологические процессы:

Физиологические процессы

1)энергетические

2)информационные

3)фотосинтетические

Деструктивно-модифицирующие процессы Стадии фотобиологического процесса:

Поглощение квантов света

Внутримолекулярные процессы превращения энергии

Межмолекулярный перенос энергии возбужденного состояния

Первичный фотохимический процесс

Темновые превращения первичных фотохимических продуктов и образование стабильных соединений

Биохимические реакции с образованием фотопродукта

Общефизиологический процесс на действие света

Спектрдействия – этозависимость:

a) Эффективного сечения фотохимических превращенийs от длины волны действующего света. б) Зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.

21. Характеристика УФ-излучения. Действие УФ-излучения на белки, нуклеиновые кислоты и липиды.

Электромагнитное излучение занимает спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называется ультрафиолетовым.

Характеристика УФ-излучения:

Длинна волны λ нм

Частота ν Гц

Энергия фотона Е эВ, Дж

Закон фотохимической эквивалентности (Эйнштейна-Штарка): Каждый поглощенный квант света способен активировать только одну молекулу вещества.

Решающее значение в биологическом действии УФ-излучения имеет его поглощение нуклеиновыми кислотами в области 240-290 нм. Хроматофорами служат азотистые основания ДНК, особенно пиримидиновые, которые поглощают УФизлучение в 10-20 раз интенсивнее, чем хроматофоры белковых молекул. Основной механизм реализуется за счет фотолиза двойной связи между пятым и шестым атомами в молекулах близкорасположенных пиримидиновых оснований, что в конечном итоге приводит к образованию пиримидиновых димеров в молекуле ДНК.

В механизме фотоинактивации белков ведущая роль принадлежит белковым хроматофорам. Деструкция аминокислотных остатков, входящих в активный центр белка или влияющих на их конформацию будет в конечном итоге приводить к потере функциональной активности данного белка.

У липидов происходит пероксидное окисление, а так же разрушение плазматической мембраны клетки.

22. Активные формы кислорода как результат фотохимических реакций. Применение систем АФК в медицине.

Активные формы кислорода:

О – синглетный кислород О− - супероксидный анион радикал Н О – перекись водорода

ОН – гидроксильный радикал

О - озон

Применение систем АФК в медицине:

Кислородная терапия (греч. therapeia лечение; синоним оксигенотерапия) - применение кислорода с лечебной целью. Используется главным образом для лечения гипоксии при различных формах острой и хронической дыхательной недостаточности, реже для борьбы с раневой анаэробной инфекцией, для улучшения репаративных процессов и трофики тканей.

Озонотерапия имеет широкий диапазон воздействия, оказывает бактерицидное, вирусоцидное, фунгицидное, иммуномодулирующее, противогипоксическое, дезинтоксикационное воздействие, обладает хорошей переносимостью и практически не имеет побочных эффектов. Использование медицинского озона уменьшает сроки лечения, снижает летальность и степень инвалидизации.

Синглетный кислород используется для выделения моноцитов.

23. Использование оптического диапазона электромагнитных излучений в медицине. Понятие о фотосенсибилизаторах. Фототерапия.

К электромагнитным колебаниям оптического диапазона относят колебания с частотой 3·10 в 11 степени - 3·10 в 17 степени Гц с длиной волн соответственно от десятых долей миллиметра до единиц нанометра. К этому диапазону относят, кроме воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Физические свойства этих излучений характеризуются значительной степенью общности. Именно в этом диапазоне начинают отчетливо проявляться и волновые, и корпускулярные свойства электромагнитных колебаний. При этом существует обратная зависимость между длиной волны и энергией кванта излучения: чем короче длина волны, тем больше энергия кванта излучения, а следовательно, и биологический эффект.

Облучение ультрафиолетовыми лучами даже при небольших дозах не сопровождается какими-либо ощущениями. Однако в коже сразу же после облучения происходят фотохимические процессы, приводящие к изменению белковых структур клеток с выделением гистамина и других биологически активных веществ, оказывающих сильное влияние на кровообращение и питание тканей. Количество таких веществ, постепенно увеличиваясь, через 2-8 ч достигает концентрации, вызывающей видимые реакции: расширение капилляров, усиление кровотока, повышение проницаемости капилляров и клеточных мембран, изменение водного обмена, гидрофильности коллоидов клетки, соотношения между катионами и анионами, меж-ду ионами калия и кальция. Перечисленные и другие реакции внешне проявляются четко ограниченным покраснением облученного участка и небольшой отечностью кожи, т. е. эритемой. Фотосенсибилизаторы – вещества повышающие чувствительность организма к действию света. Делятся на два типа:

I типа изменяются под действием света

II типа вещества передают энергию возбуждения

Фототерапия - применение излучения (УФ, красного, ИК) для лечения кожных, аутоиммунных,онкологических заболеваний.

Свет, который применяется при фототерапии, поглощается специфическими хромофорами в тканях

Эндогенные хромофоры: ДНК, белки, гемоглобин.

Экзогенные хромофоры: фоточувствительные красители (фотосенсибилизаторы).

24. Понятие об оптическом квантовом генераторе. Общие принципы действия лазеров.

Оптическими квантовыми генераторами(ОКГ) на твердом теле называют такие оптические квантовые генераторы, в которых в качестве активной усиливающей среды используется кристаллический или аморфный диэлектрик. Примерами твердотельных ОКГ могут служить широкоизвестные рубиновые ОКГ или генераторы на стекле. В этом случае инверсия заселенности образуется на энергетических уровнях атомов и ионов вещества, нахо-дящегося в твердом агрегатном состоянии. При рассмотрении твердотельных ОКГ следует учи-тывать принципиальные особенности таких приборов. Концентрация активных частиц в твердом материале (1017 - 1020 см~3) на несколько порядков превышает кон-центрацию частиц в газовых средах. Поэтому в твердом теле населенности энергетических уровней значительно больше. Естественно, что и абсолютная величина инвер-сии заселенностей может быть существенно больше, чем в газах. Отсюда понятно, что твердые активные среды должны характеризоваться высоким коэффициентом уси-ления. Это позволяет, во-первых, получать большие мощ-ности генерации и, во-вторых, добиваться генерации при малой длине активного слоя. Твердое тело как оптическая среда обладает гораздо меньшей оптической однородностью по сравнению с газами. Это приводит к возникновению объемных потерь на рас-сеяние, снижению добротности резонатора при значитель-ной длине активного элемента.

Примеры лазерного излучения в быту:

– CDпроигрыватели

-Сканеры для считывания штрих-кодов кассирами в магазинах

-Лазерные принтеры

-Радары службы ДПС для определения скорости движения

Рабочее тело – среда (газ, твердое тело), которая внешним воздействием переводится в активное состояние Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (с инверсной заселенностью уровней):

а) Оптическая накачка – возбуждение светом (рубиновый лазер)

б) возбуждение путем электрического разряда (гелий-неоновый лазер)

Оптический резонатор – два плоскопараллельных зеркала, обращенных друг к другу Обеспечивает положительную обратную связь – многократное движение фотонов в рабочем теле, приводящее к лавинообразному нарастанию фотонов лазерного излучения

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждѐнный атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучѐнный фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

25. Особенности лазерного излучения.

1 высокая когерентность - совпадают временные и пространственные разности фаз(с инета-Когерентность. Лазеры обладают чрезвычайно высокой по сравнению с другими источниками света степенью когерентности излучения, временной и пространственной.

Напомним, что временная когерентность определяется временем tk, в течение которого излучение, испущенное из одной точки источника (или приходящие в данную точку пространства), остается когерентным (скажем, дает интерференционную картину в интерферометре Майкельсона). Пространственная когерентность определяется как когерентность излучения, испущенного из разных, находящихся на некотором расстоянии друг от друга точек источника, и может быть определена по контрасту интерференционных полос в известном опыте Юнга с двумя щелями.

При работе лазера в одномодовом режиме достигается полная пространственная когерентность, что определяет высокую направленность лазерного излучения и делает возможным его фокусировку в пятно чрезвычайно малых размеров (порядка длины волны).

Временная когерентность, связанная с монохроматичностью (время когерентности ), оказывается тоже очень высокой. Так, для непрерывно работающего лазера на He-Ne в одночастотном режиме при и длина когерентности lk = tkc (с - скорость света) составляет 3*107 см (300 км), в то время как для нелазерных источников света (например, натриевая лампа) tk = 10 c (lk = 3 см). Таким образом, с использованием лазеров можно наблюдать интерференционную картину даже при разности хода лучей в несколько километров.)

2 монохроматичность - ширина спектральной линии 0.01нм(с инета – Монохроматичность лазерного излучения, определяемая как ( - ширина линии генерации, - ее центральная частота), при работе лазера на одной

частоте и в непрерывном режиме в принципе ограничена шумами. Используя специальные методы стабилизации, удается получить относительную стабильность частоты В случае лазера, работающего в многомодовом режиме, монохроматичность связана с числом генерируемых мод и может

составлять несколько гигагерц. В импульсном режиме работы минимальная ширина линии ограничена величиной, обратной длительности импульса.

Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. Высокая монохроматичность облегчает фокусировку лазерного излучения, поскольку при этом хроматическая аберрация линзы становится несущественной.)

(Монохромность – свет состоит из одного цвета или узкого диапазона цветов, каждому цвету обычно соответствует отпределнная длина волны (измеряется она обычно в нанометрах-нм).Соответственно, если Вы вспомните школьный курс физики, обычный световой луч состоит из большого количества цветов)

3 высокая мощность излучения (Мощность лазерного излучения в непрерывном режиме может быть порядка 105-

106 Вт, в импульсном - до 1012-1013 Вт, при этом удается достичь интенсивностей порядка 1012-1016 Вт/cм2.Существенно, что эти мощности могут быть сконцентрированы в чрезвычайно узких спектральных и временных интервалах.)

Внепрерывном режиме до 10 в 5 степени Вт

Вимпульсном приблизительно 2,5 умноженое на 10 в 13 степени Вт

4 высокая интенсивность излучения до 10 в 16 степени Вт деленное на см в квадрате

5 давлениеI=10 в 14 степни(Лазерный луч — это поток фотонов, каждый из которых имеет определенную энергию и импульс силы. При этом следует отметить, что атом представляет собой резонансную систему, которая может существовать лишь в определенных энергетических состояниях. Атомы взаимодействуют с лазерным излучением при условии, что энергия фотонов соответствует энергии, необходимой для перевода атома из одного энергетического состояния в другое. Мерой силы взаимодействия является сечение поглощения. Для атомов, находящихся в состоянии резонансного поглощения, сечение поглощения равно квадрату длины волны излучения. Если учесть, что лазерный луч можно сфокусировать в пятно площадью, равной квадрату длины волны, то можно сделать вывод, что единичный атом, находящийся в области фокуса лазерного луча, поглощает практически всю энергию пучка.)

6 коллимированость больше или равно 1 угловой минуты(Коллимированность, что означает, что он перемещается в одном направлении практически без расхождения (вспомните лазерную указку), причем на достаточно большие расстояния. Обычные же световые волны рассеиваются и быстро теряют свою интенсивность.)

7 поляризованность-полностью поляризован(Поляризация - симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля (Е) совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, то волна называется поляризованной. Если изменения происходят хаотично (при распространении электромагнитных волн в анизотропных средах, отражении, преломлении, рассеянии и др.), то волна является непо-ляризованной.)

26 взаимодействие лазерного излучения с биообъектами. Применение лазеров в диагностике, терапии, хирургии.

1 невозмущающее воздействие

2 фотохимическое действие

3фоторазрушение-возникновение в результате локальногороста температуры облучаемой ткани

4притемп=150 начинается обугливание ткани с нелинейным ростом температуры

5притеп=300 испарение обезвоженной и обугленной ткани (функция скальпеля)

Диагностика 1интерферометрияпри отражении лазерного луча от шероховатой поверхности формируются вторичные интерферирующие волны

2 голография – формирование 3 д изображений объекта(гастроскопия)

3 оценка размеровчастицсреды-эффект рассеивания лазерного луча в среде 4оценка скорости движения объекта эф доплера(при движении наблюдателя относительно друг друга изменяется частота

5спектроскопия

6лазерный анализ крови – инициация флуоресцентного свечения 2хирургия

1лазерная сварка тканей – дозирование нагревание, оплавление и соединения рассеченных тканей

2разрушение пигментированных участков – абляция татуировок,ангиляция склеротических бляшек в сосудах

3лазерная эндоскопия – использование светоотводной техники

4в офтальмологии – приваривание отслоившейся сетчатки, лечение глаукомы, послойная абляция роговицы для коррекции зрения Терапия

1фотодинамическая терапия опухоли

2введение фотосенсибилизатора(красителя), который избирательно проникает в опухолевые клетки

3лазерное облучение опухоли в максимуме поглощения красителя

4генерация свободно-радикольных продуктов и активных форм кислорода(сиглетный кислород)

5поражение раковых клеток в результате прямого повреждения радикальными продуктами или в результате ишемических процессов(повреждение сосудов)

5терапия с помощью синего цвета - применяется в лечении желтухи у новорожденных

6терапия с помощью красного светаобусловлена регуляцией клеточного метаболизма и пролиферативной активности клеток

дыхание, давление

27 тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при еѐ рассеянии (торможении) в электрическом поле попадая в эл поле между катодом и анадом электроны разгоняются до большиъскоростей,а затем резко

тормозятся,попадая в поле ионов кристаллической решетки анода. Ускоренные электроны излучают электромагнитные волны.

Две основные характеристики.

При увеличении напряжения спектр сдвигается в сторону коротких волн. Интенсивность изменяется при изменении силы тока в цепи канала катода

Характеристическое возникает в рентгеновской трубке,если бомбардирующий анод электрон обладает энергией,достаточной для того,чтобы выбить электрон с внутренней глубинной орбитали атома вещества,из которого сделан анод Чем дальше электрон находится от ядра, тем больше его энергия. Является более жестким

28. Характеристическое рентгеновское излучение

29 взаимодействие рентгеновского излучения с веществом .

(формулы в лекции смотри) в учебнике пункт 26,3 1Когерентное рассеяниеесли имеются рентгеновские кванты относительно небольшой энергии, недостаточной для

ионизации атома вещества, то происходит лишь изменение направления распространения квантов без изменения частоты 2Фотоэффект — если энергия рентгеновских квантов больше работы ионизации атома 3Эффект Комптона — если энергия рентгеновского кванта больше работы ионизации

30 физические основы применения рентгеновского излучения в медицине. Рентгенодиагностика.Рентгенотерапия.

Рентгеновская съѐмка используется в стоматологии для обнаружения кариеса и воспалений в корнях зубов

Более половины поверхности зуба просто не видны глазу стоматолога, не говоря уже о внутренней структуре. В этих условиях, единственным для стоматолога средством заглянуть в толщу десны является рентгеновский снимок. Рентген применяют и для первоначальной диагностики заболеваний, и для контроля результатов лечения. Иногда допускается применение рентгеновских лучей в профилактических целях.

Рентген, в частности, применяется при диагностике кариеса в межзубных и поддесневых поверхностях, возможного вторичного кариеса под пломбами и коронками. Рентген незаменим для определения глубины кариозного дефекта, его соотношения с полостью зуба, при контроле качества лечения каналов зуба, для оценки состояние костной ткани, окружающей корень зуба (это необходимо при периодонтите). Ну и конечно, при удалении зубов, имплантации и протезировании. Сегодня уже сложно назвать области стоматологии, где рентген не применяется.

Рентгенодиагностика просвечивание внутренних органов с диагностической целью.

Для диагностики используют фотоны с энергией 60-120 кэВ. При эиой энергии массовфй коэффициент ослабления определяется фотоэффектом.его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона, в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества поглотителя (формула в учебнике пункт 26,4)

рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопияизображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране. И рентгенография — мзображение фиксируется на фотопленке.

Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности излучения.

Рентгеновская компьютерная томография. В учебнике пункт 26,4 Получение изображения органов в поперечных сечениях две основные идеи:

1получение изображения органов в срезах, а затем из полученных срезов собирают объемное изображение объекта2получить 2 получение изображениях в срезах,просвечивая объект с разных сторон,источник излучения вращается

РЕНТГЕНОГРАФИЯ представляет собой медицинское исследование, при котором с помощью прохождения через объект рентгеновских лучей получают его фотоизображение. Стоит отметить, что при рентгеновской диагностике следует делать снимки сразу в нескольких проекциях, не менее двух. Данная необходимость предопределена тем, что рентгенограмма является плоским изображением трехмерного объекта. Именно поэтому точно диагностировать патологический процесс можно только при использовании нескольких проекций.

Рентгенодиагностика является одним из самых действенных способов диагностики заболеваний опорно-двигательного аппарата и травматологических повреждений. Это обусловливает быструю постановку точного диагноза при травмах, переломах, патологиях ЛОР-органов, легких. Рентгенодиагностика порой выступает решающим методом при определении наличия заболеваний ЖКТ, сердечно-сосудистой и мочеполовой системы.

Основными преимуществами рентгеновской диагностики являются: доступность и легкость в проведении исследования, методика характеризуется низкой лучевой нагрузкой,

как правило, отсутствует необходимость предварительной подготовки человека к прохождению исследования, полученные в ходе рентгенодиагностики снимки свободно используются в ходе дальнейших консультаций у других врачей, в отличие от УЗИ-снимков (при ультразвуковом исследовании требуется повторная диагностическая процедура).

Недостатки рентгенодиагностики:

Не очень хорошая визуальная передача состояния связок, мышц и других мягких тканей по сравнению с компьютерной томографией (КТГ).

«Замороженность» изображения, то есть сложность оценки функции органа.

Рентгенотерапия — один из методов лучевой терапии, при котором с лечебной целью используется рентгеновское излучение с энергией от 10 до 250 кв. С увеличением напряжения на рентгеновской трубке увеличивается энергия излучения и вместе с этим его проникающая способность в тканях возрастает от нескольких миллиметров до 8—10 см. Различают рентгенотерапию дистанционную (расстояние фокус — кожа 30 см и больше) и близкофокусную (расстояние фокус — кожа не превышает 7,5 см). В свою очередь дистанционная рентгенотерапия может осуществляться в виде

статического облучения (рентгеновская трубка и больной во время облучения неподвижны) и подвижного облучения (рентгеновская трубка или больной находится в состоянии относительного движения).

Известны многочисленные формы статического и подвижного рентгеновского облучения. Могут варьировать различные элементы условий облучения, качество излучения, расстояние фокус — кожа или радиус качания, количество полей или угол качания, размеры, форма и число полей или зон облучения, разовые и суммарные дозы излучения, ритм облучения, мощность дозы и т. д Лечебный эффект рентгенотерапии связан с поглощенной дозой излучения в области патологического очага. Величина

оптимальной поглощенной дозы, ее дробление, ритм облучения обусловлены в каждом случае характером патологического процесса. На степень сопутствующих реакций окружающих патологический очаг здоровых тканей и органов, а также реакций всего организма влияет величина интегральных доз в этих отдельных анатомических структурах и во всем теле больного.

Эффекты воздействия рентгенотерапии не однозначны для разных гистологических структур, что связано с различной чувствительностью последних к ионизирующему излучению

31.Явление радиоактивности. Природа радиоактивных излучений.

32.Дозиметрия. Метод защиты от ионизирующих излучений.

33.Биофиз. Основы взаимодействия иониз. Излучений с веществом.

34.Применение радиоактивных излучений в диагностической и терапевтической медицине.

35.Понятие модели. Классификация моделей. Элементы процесса моделирования.

36.Математические модели (детерминированные, вероятностные). Показатели качества модели.