Lektsii_po_fiziki

-электролюминесценция – вызывается газовым разрядом;

-рентгенолюминесценция – вызывается действием рентгеновского излучения.

Люминесцентные вещества называются люминофорами.

По длительности свечения люминесценцию можно разделить на:

-флюоресценцию – это свечение гасится практически сразу же при прекращении возбуждения;

-фосфоресценцию – свечение, которое продолжается несколько минут или часов даже после прекращения возбуждения.

Фотолюминесценция

Люминесценцию объясняет квантовая механика, но приближенно её можно объяснить с помощью теории Бора, постулаты которого Вы изучали в школе:

1.Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En ; в стационарном состоянии атом не излучает.

2.При переходе атома из одного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях:

hν = E2 − E1.

Во всех видах люминесценции к атомам и молекулам извне переходит энергия, в результате чего электроны в них переходят на более высокий энергетический уровень. Атом возбуждается. Через некоторое время атом спонтанно (самопроизвольно) переходит в исходное состояние, что сопровождается излучением света в видимой или ультрафиолетовой части спектра. В атомных системах при фотолюминесценции возможны следующие процессы:

1.Резонансная флюоресценция

Вобычном состоянии атом находится на уровне Е0

. Если на него воздействует фотон света энергией hν , то он переходит на уровень E1 с большей

энергией. В наиболее простых случаях (одноатомные пары и газы) атом спонтанно возвращается в

181

исходное состояние, излучая при этом фотон той же частоты. Время послесвечения, т.е. продолжительность этого свечения,

@10−8 с, значит это не рассеяние света.

2.В более общих случаях процесс происходит следующим образом:

поглотив квант света энергией hν , атом переходит в состояние с энергией Е2 , затем безизлучательно переходит на уровень с энергией E1 , откуда Е2 Е2 атом спонтанно переходит на уровень Е0 , излучая квант света с энергией hν1

3. В сложных органических молекулах переход из возбужденного

состояния Е2 в основное состояние Е0 мало-вероя- тен. Зато квантовомеханически разрешен переход в промежуточное состояние Е3 . Переход Е2 → Е3 происходит безизлучательно. Уровень Е3 является метастабильным. Время жизни атомов на этом уровне значительно больше, чем на обычных уровнях( до 10−3 с). За счет кинетической энергии окружающих молекул или за счет энергии нового

поглощенного кванта света атом или молекула переходят с уровня Е3 на уровень с энергией E1 . А уже с этого уровня происходит переход на основной уровень Е0 с излучением кванта энергией hν1 . Этот процесс длится долго (минуты или даже часы) и называется фосфоресценцией.

Закон Стокса

Из рассмотренных схем переходов видно, что поглощая квант света энергией hν и испуская квант энергией hν1 , атомы дают более низкочастотное вторичное излучение:

hν1 ≤ hν ,

излучение. Это положение сформулировано в законе Стокса:

спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию.

182

Имеются отклонения от закона Стокса. Молекула может находиться

на некотором возбужденном уровне E1 . На не падает свет. Поглощая квант света энергией hν , молекула переходит в возбужденное состоя-

ние Е2 , а оттуда - в основное состояние Е0 , испуская излучение энергией hν1. Тогда hν 1 > hν (λ1 < λ ) . Это вторичное излучение называ-

ется антистоксовым.

Количественные оценки люминесценции

Не все поглощенные фотоны вызывают вторичное свечение, часть их расходуется на другие внутримолекулярные процессы, например, на тепловой эффект. Поэтому вводят такие количественные оценки:

Квантовый выход

ηКВ = NИС ×100%,

NПОГ

где NИС - число испускаемых фотонов; NПОГ - число поглощенных фотонов.

Энергетический выход

183

Применение люминесценции в медицине

Вмедицинских и биологических исследованиях люминесценция играет существенную роль

По спектру люминесценции можно определить состав и природу вещества. Этот анализ называется люминесцентным анализом и исполняется на приборах, спектрофотометрами (источник – ртутная лампа, светофильтры, выделяющие только УФ – излучение, приемник – фотоэлемент).

По спектру люминесценции можно провести проверку качества продуктов, фармацевтических средств, растительных волокон, кожи и др., как и всякое органическое соединение, под действием УФ – излучения дают характерное люминесцентное излучение.

По характеру люминесцентного излучения можно судить о норме и паталогии многих тканей организма: ногтей, зубов, волос, хрусталика глаза, роговой оболочки. Это связано с тем, что они по-разному святятся под действием УФизлучения.

Можно отделить злокачественную опухоль от доброкачественной, также имеющих различный характер свечения.

Люминесценция применяется для диагностики кожных заболеваний (грибок, лишаи) – они также дают характерное свечение.

Вкачестве оптических источников для люминесценции в медицине применяют ртутно-кварцевую лампу ( УФ - излучение

влампе дает смесь Ar и нескольких капель ртути).

Индуцированное излучение. Лазеры – оптические квантовые генераторы

Тепловое излучение и люминесценция осуществляются посредством спонтанных переходов атомов и молекул с более высоких энергетических уровней на низкие уровни.

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность вынужденных переходов, которые должны сопровождаться индуцированным излучением.

Под индуцированным излучением он понимал излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

184

Замечательным свойством этого излучения является то, что световая волна индуцированного излучения не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

С квантовой точки зрения это означает, что из высшего энергетического состояния атом переходит в низшее, но не самопроизвольно, как при тепловом излучении и люминесценции, а вынужденно, под действием внешней световой волны. При этом если на атом, находящийся в высшем энергетическом состоянии n , подействовать одним фотоном энергией hν , то при переходе атома в основное состояние 1 получается уже два фотона: падающий и индуцированный.

Если же из состояния 1 перевести атомы в энергетическое состояние n и собрать там большое количество атомов, а затем одновременно перевести их снова в состояние 1 (создать переход n → 1), то можно получить мощное усиление падающего излучения.

Но в обычных условиях с увеличением энергии уровня заселенность, т.е. число атомов на этом уровне, уменьшается. Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить заселенность уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии n с большей энергией En находилось большее число атомов, чем в состоянии 1с меньшей энергией E1

. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную заселенность. Энергетически наиболее выгодной схемой создания инверсной заселенности является трехуровневая система, содержащая метастабильный уровень – уровень, на котором время жизни

атома составляет до 10−3 с .

Первый генератор оптического излучения – лазер был создан на розовом рубине, Al2O3 : Cr2O3 , в котором некоторые атомы Al замещены ионами (именно в таком виде хром находится в

кристалле рубина).

185

При поглощении света ионы Cr+++ переходят из основного состояния 1 в

возбужденное состояние n (переход 1 → n). Обратный переход n → 1 кван-

товомеханически запрещен, но безизлучательный переход n → m разрешен. Он происходит из-за того, что возбужденные ионы Cr+++ отдают кристаллической решетке рубина часть сво-

ей кинетической энергии и переходят с уровня n на метастабильный уровень m без излучения. Как уже отмечалось, на этом уровне ионы Cr+++ могут находиться в течение ≈10−3 с . Создается инверсная заселенность.

Создание инверсной заселенности называется накачкой. В рубиновом лазере накачка осуществляется с помощью мощной импульсной ксеноновой лампы. При достаточной мощности накачки число ионов Cr +++ на метастабильном уровне становится больше, чем на невозбужденном уровне 1, т.е. происходит ин-

версия.

С метастабильного уровня некоторые ионы хрома могут спонтанно перейти в состояние 1, излучая фотоны света. Под

действием этих фотонов происходит каскад вынужденных переходов соседних атомов на уровень 1, сопровождающихся

индуцированным излучением (усиление света).

Кристалл рубина исполняется в виде цилиндра, торцы которого строго параллельны друг другу. Торцы покрыты слоем серебра, причем один из торцов прозрачен. Такие торцы образуют зеркальный резонатор. Каскад фотонов, которые получаются при переходе m → 1, многократно отражаются от торцов и на своем пути вызывают вынужденное излучение все большего числа возбужденных ионов Cr+++. Через прозрачный торец выходит мощный кратковременный импульс красного цвета (λ = 694,3 нм) . Рубиновый лазер является импульсным генератором света.

186

Существуют лазеры непрерывного действия. В лазерах этого типа рабочим веществом является газ.

Например, гелий – неоновый лазер. Рабочим телом в гелий – неоновом лазере является смесь благородных газов Не и Ne, помещенная в стеклянный баллон.

Накачка производится с помощью высокочастотного электрического поля, вызывающего в газе тлеющий разряд. Легкие атомы гелия под действием элек-

трического поля возбуждаются и переходят на уровень n . В процессе неупругого соударения атомы Не передают энергию атомам Ne, которые, возбуждаясь, накапливаются на двух метастабильных уровнях m1 и m2 , с которых они переходят на уровень s с излучением света двух длин волн: λ1 =1152нм и λ2 = 638,8нм . Мощность He ÷ Ne - го лазера невелика.

В медицине применяются также полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение происходит под действием электрического тока, газодинамические лазеры непрерывного действия.

Свойства лазерного излучения

1.Лазерный луч очень узок.

2.Лазерное излучение монохроматично, т.к. атомы излучают согласованно.

3.Излучение полностью поляризовано.

4.Излучение когерентно.

5.Плотность потока излучения (мощность) очень высокая

Применение лазеров в медицине

Благодаря высокой плотности потока излучения лазерное излучение разрушает биологические ткани, что вместе с коагуляцией белка под действием лазерного излучения позволяет производить бескровные операции рассечения тканей. Лазерный луч применяют в хирургии в качестве бескровного ножа, который не нуждается в стерилизации.

187

Лазерное излучение применяют для безоперационного лечения сетчатки глаза (лазерный офтакоагулятор). При лечении глаукомы с помощью лазерного луча прокалывается отверстие размером 50 ÷100 мкм для оттока внутриглазной жидкости.

В стоматологии лазерный луч применяют для разрушения дентина при лечении зубов.

С помощью лазеров с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют формировать объемное голографическое изображение полых органов (желудок и др.).

Голография и возможности её применения в медицине

Голография – метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции света.

Голография открыта Габором в 1948 году. Однако её практическое использование стало возможным только после появления лазеров, дающих строго монохроматическую когерентную волну.

Голографию можно в чем-то сравнить с фотографией. При фотографировании на фотоплёнке фиксируется интенсивность световых волн, отраженных фотографируемым предметом. Изображение в этом случае является совокупностью светлых и темных точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, поэтому изображение получается плоским.

Голография учитывает амплитуды и фазы рассеянных предметом волн, что фиксируется как интерференция волн. С этой целью на фотопластинку посылается две когерентные волны от лазера: I – опорная от источника света, II – сигнальная, рассеянная (отраженная) предметом. Волна I падает на фотопластинку

под углом 900 , а волна II – под углом α . Создается постоянная во времени и пространстве разность фаз между когерентными волнами I и II. Поэтому на фотопластинке создается интерференционная кар-

188

тина (изображение предмета) в виде темных и светлых полос, которые образуют атомы Ag , образовавшиеся под действием света. Это изображение фиксируется в специальном растворе и закрепляется.

Для восстановления изображения используется явление дифракции, для чего фотопластинку с интерференционным изображением предмета освещают лазерным лучом света. Свет встречает на своем пути препятствие, сравнимое с длиной волны света, - возникает явление дифракции.

В проходящем свете дифракция дает мнимое изображение, а в отраженном свете – действительное.

189

Лекция 15.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение широко применяется в медицине (рентгенография, рентгеноскопия, томография), поэтому нужно понимать его природу. Кроме того, знание природы рентгеновского излучения необходимо для обеспечения защиты от него, т.к. оно является ионизирующим излучением.

Свойства рентгеновского излучения

1.Рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение с длиной волны λ = 0,0001 ÷80 нм . На шкале электромагнитных волн нижняя граница (λ =80 нм ) пересекается с ультрафиолетовым излучением, а верхняя граница (λ = 0,0001нм ) – с γ −излучением.В медицине используется узкий участок этого диапазо-

на с λ =1 ÷0,006 нм .

2.Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью – большая часть тел, непрозрачных для оптического излучения, является “прозрачными” для рентгеновского излучения.

3.Рентгеновское излучение невидимо для глаза. Оно обнаруживается по его действию на вещество: химические воздействие на фотоэмульсию фотопленки и рентгенолюми-несценция (светящийся экран).

4.Рентгеновское излучение обладает ионизирующим действием, т.е. кванты рентгеновского электромагнитного излучения, взаимодействуя со средой, вызывает ионизацию её атомов и молекул.

Механизмы генерации рентгеновского излучения

По способу возбуждения рентгеновское излучение разделяют на характеристическое и тормозное.

1. Характеристическое излучение возникает при переходах между энергетическими уровнями внутренних оболочек (K,L,M,…,) атомов с высокими порядковыми номерами.

Если под действием сильного внешнего воздействия (бомбардировка атомов вещества электронами с

190