Тепловое излучение Квантовая биофизика Лекция 8 Ростов-на-Дону 2012
Содержание лекции №8 Тепловое излучение. Характеристики и законы теплового излучения. Физические основы тепловидения Люминесценция
Шкала электромагнитных волн I Радиоволны до 1 мм II ИК излучение (инфракрасное излучение) 1мм – 760 нм III Видимое 760 нм – 400 нм красн Фиол. IY УФ излучение ( ультрафиолетовое излучение): 400 нм – 20 нм Y Рентгеновское излучение 80 – 10 -5 нм YI γ - излучение λ < 0, 1 нм λ зелен = 555 нм
Тепловое излучение- это электромагнитное (э / м) излучение, которое испускают все ! тела, температура которых выше абсолютного нуля за счет своей внутренней энергии. Тепловое излучение Ответ: Это неионизирующее излучение ВОПРОС: Это ионизирующее излучение? ТЕСТ: Укажите температуру, при которой может наблюдаться тепловое излучение : А. 25 0 С Б. - 35 0 С В. 10 К Г. 700 К
Характеристики теплового излучения Поток излучения Ф – это средняя мощность излучения. Поток излучения –это энергия всех длин волн, излучаемых за 1 с [ Вт ] 2. Энергетическая светимость R - поток излучения, испускаемый 1м 2 поверхности тела. Или: это энергия всех длин волн, излучаемых за 1 с с 1 м 2
3. Спектральная плотность энергетической светимости r λ - это отношение энергетической светимости узкого участка спектра dR λ к ширине этого участка d λ. Для определенной длины волны r λ - это энергия излучения с 1м 2 в 1 с в интервале от λ до λ + Δλ. r λ показывает, какую долю тепловое излучение данной λ составляет от общего теплового излучения источника. 3.1 Спектральная плотность энергетической светимости черного тела
Спектр излучения сплошной. Спектр излучения – это зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны : r λ = f( λ ) r λ r λ зависит от λ, Т, химического состава тел. Что характеризует площадь под графиком? ВОПРОС: R
равен отношению потока излучения поглощенного телом к падающему потоку. Он зависит от λ 4. Коэффициент поглощения Монохроматический коэффициент поглощения зависит от λ, Т, химического состава тел. 0 ≤ ≤ 1 Обзор 1.Поток излучения Ф 2.Энергетическая светимость 3. Спектральная плотность энергетической светимости 3.1 Спектральная плотность энергетической светимости черного тела R 4. Монохроматический коэффициент поглощения
Монохроматический коэффициент поглощения ВОПРОСЫ: Сажа, черный бархат, черный мех. Чему равен ? =1 Зеркало, белый материал. Чему равен ? =0 Чайник закопченный и не закопченный. Где больше α ? А в каком закипит быстрее? Закопченный
Черное тело – это тело, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения = 1 и не зависит от длины волны излучения. Модель черного тела – это непрозрачный сосуд с небольшим отверстием, стенки которого имеют одинаковую температуру. Через некоторое время стенки сосуда поглощают луч полностью. ПРИМЕР: сажа, платиновая чернь Почему зрачок нашего глаза кажется черным ? ВОПРОС: Спектр излучения черного тела
Для черного тела спектральная плотность энергетической светимости обозначается Спектр излучения черного тела сплошной. = f( λ ) Свойства черного тела Коэффициент поглощения черного тела равен 1. = 1 2. Коэффициент поглощения черного тела не зависит от длины волны излучения λ. 3. Спектр излучения черного тела сплошной. 4. Черное тело – самый совершенный излучатель.
Серые тела Серое тело – это тело, для которого коэффициент поглощения меньше 1 и не зависит от длины волны λ излучения. < 1 Коэффициент поглощения α всех реальных тел зависит от λ и Т (их поглощение селективно), поэтому их можно считать серыми лишь в определенных интервалах длин волн и температур, где α приблизительно постоянен. ПРИМЕР: каменный уголь Тело человека = 0,9 =0,8
Законы теплового излучения Закон Кирхгофа Формула Планка Закон Стефана - Больцмана Закон Вина Для всех тел Для черного тела
Закон Кирхгофа Густав Кирхгоф 1824-1887 При одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости тел к монохроматическому коэффициенту поглощения для всех тел одинаково и равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре. 1859 г. Закон связывает способности тела излучать и поглощать энергию
Выводы: 1. 2. Если, то , так как или 3. Тело, которое лучше поглощает, должно интенсивнее и излучать. 4. Самый совершенный излучатель – черное тело 1 3. Спектральная плотность энергетической светимости 3.1 Спектральная плотность энергетической светимости черного тела 4. Коэффициент поглощения Повторение
Законы излучения черного тела Формула Планка Установила в явном ! виде вид функции в зависимости от λ и Т Макс Планк 1858 —1947 До Планка считали, что энергия испускается непрерывно и УФ катастрофа – парадокс классической физики. Гипотеза Планка : энергия испускается порциями = квантами, то есть дискретно. 1900 г. Планк 3.1 Спектральная плотность энергетической светимости черного тела Повторение УФ катастрофа
-спектральная плотность энергетической светимости черного тела k – постоянная Больцмана С - скорость света в вакууме h – постоянная Планка λ - длина волны Т – термодинамическая температура
Закон Стефана - Больцмана Йозеф Стефан 1835 – 1893 1884 г 1879 г Бо́льцман 1844 —1906 Энергетическая светимость черного ! тела прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры. ВОПРОС: Повторение 1.Поток излучения Ф 2.Энергетическая светимость R Если Т увеличить в 2 раза, интенсивность излучения возрастет в …. 16 раз Постоянная Стефана -Больцмана 3. Спектральная плотность энергетической светимости
Для серых тел δ приведенный коэффициент излучения Задача: Докажите, что относительное изменение энергетической светимости тела больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в 4 раза. Решение: Если Т увеличилась на 1%, интенсивность свечения возросла на… 4% ВОПРОС: Т на 0,5% На 2%
Закон Вина 1893 г. Вильгельм Вин 1864 - 1928 1911 г. Длина волны,на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре. Постоянная Вина
-спектральная плотность энергетической светимости черного тела Максимум смещается влево при Т 2 Т 1 Поэтому называют закон смещения Вина. ВОПРОС: Правильно ли начерчены эти графики для = 2 Т 1 Т 2 Спектр излучения черного тела
Излучение Солнца Солнце – наиболее мощный источник теплового излучения, обеспечивающий жизнь на Земле. Колебания Земли синфазны с Солнцем Солнечная постоянная - поток солнечного излучения, приходящийся на 1 м 2 площади границы земной атмосферы. Внутреннее строение Солнца Солнце – самая неизученная звезда в нашей Солнечной системе.
Тепловое излучение тела человека Оно инфракрасное ( ИК ). = 9,5 мкм Обладает тепловым действием Температура тела человека поддерживается постоянной, благодаря терморегуляции. Теплопродукция = теплоотдача Теплопроводность 0% Конвекция 20% Излучение 50% Испарение 20% Гипоталамус обеспечивает постоянство внутренней среды организма. Там находится и центр терморегуляции.
Расчет мощности излучения Температура кожи Т 1 =33 0 С = 306 К Температура воздуха Т 0 = 18 0 С = 291 К S=1, 5 м 2 Приведенный коэффициент излучения: Вт Ответ: Человек раздетый Человек одетый Температура одежды 24 0 С 4,2 Ответ: 37 Вт
Физические основы тепловидения При этом регистрируются различия ! теплового излучения здоровых и больных органов, обусловленных небольшим отличием их температур. Тепловидение – диагностический метод, основанный на регистрации температуры поверхности тела за счет улавливания инфракрасного излучения.
В основе термографии закон Стефана – Больцмана : Даже небольшое изменение температуры тела на 1% вызывает значительное в 4 раза изменение энергетической светимости, то есть на 4% При этом получается видимое ! изображение тел по их тепловому ( ИК- невидимомому ) излучению.
Основные методы в тепловидении Бесконтактные Контактные На небольшой участок поверхности тела помещается специальная жидкокристаллическая пленка. Жидкие кристаллы обладают свойством оптической анизотропии и меняют цвет в зависимости от температуры. 1888 г. ЖК – свойства и жидкостей ( текучесть ) и кристаллов ( анизотропия). Термограф Тепловизор ВОПРОС: Какая разница?
Термограф – это прибор, в котором тепловое изображение объекта непосредственно ! без преобразования в электрический сигнал, записывается на какой – либо носитель, чаще всего бумагу, покрытую тонким слоем вещества, меняющего свои оптические свойства под воздействием теплового излучения ( жидкокристаллические индикаторы).
Тепловизор – это прибор для улавливания и регистрации излучения тела человека на экране. Этот измерительный прибор позволяет увидеть ! невидимое : ИК излучение любых объектов. Сканер λ от 3 до 10 мкм Приёмник – преобразователь ИК излучения в электрический сигнал Экран Объект Тепловизор Т1-160 представляет собой профессиональный телевизор с очень широким температурным диапазоном.
В медицине Диагностика сосудистых заболеваний. Функциональная диагностика Выявление в организме областей с аномальной температурой, в которых что-то происходит не так.
Электронные энергетические уровни атомов и молекул Атомы и молекулы могут находиться в стационарных состояниях, когда они не излучают и не поглощают энергию. Энергетические состояния изображаются в виде уровней. S 0 S * Самый нижний основной Состояние атома меняется, если есть переход электронов S 0 Энергия фотона ν - частота излучения h – постоянная Планка Е = S 0 S * S * S 0
Система уровней энергии молекулы характеризуется совокупностями далеко отстоящих друг от друга электронных уровней и, расположенных значительно ближе друг к другу колебательных уровней и еще более близких вращательных уровней. S 0 S * Схема энергетических уровней молекулы S 0 S * S 0 S * S * 1эВ = 1,6•10 -19 Дж
Люминесценция L - я - это излучение света телами, избыточное ! над тепловым излучением при той же температуре, возбужденное ! внешними источниками энергии и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. τ L- ии = 10 -9 - 10 6 с τ света =10 -15 с Видеман + Вавилов С.И. ВАВИ́ЛОВ С.И. 1891 - 1951 Существенно дополнил, сказав о длительности L - я – это надтемпературное свечение Коротко: ( Lumen, Luminis – лат свет). « Холодное» свечение некоторых веществ )
Различные виды люминесценции Люминесцируют возбужденные молекулы, и в зависимости от вида возбуждения различают: Ионо L- я – вызванная ионами; Катодо L -я – вызванная электронами; рентгено L -я – рентгеновским и γ - излучением ПРИМЕР: На TV экране ПРИМЕР: На экране рентгеновского аппарата
Фото L -я – под воздействием фотонов; Трибо L- я – вызывается трением ПРИМЕР: 1605 г. Френсис Бекон – кристаллы сахара Электро L- я – вызывается электрическим полем; Хемилюминесценция – излучение сопровождающее экзотермические химические реакции соно L - я – под действием УЗ; Радио L -я возникает при возбуждении атомов продуктами радиоактивного распада;
Фотолюминесценция Возникает при возбуждении атомов светом ( УФ и коротковолновая часть видимого света ) 20 – 400 нм УФ 555 видимое Фл у оресценция – ее характеризует кратковременное ″ после свечение″ 10 -7 -10 -8 с после снятия возбуждения ПРАКТИЧЕСКИ ЕГО НЕТ! Свечение прекращается после снятия возбуждения Фосфоресценци я – ее характеризует длительное ″ после свечение″ В физиологических условиях практически не наблюдается.
Флуоресценция – это испускание кванта света при переходе возбужденного электрона между синглетными уровнями ( спин электрона не меняется ). Это разрешенный по спину излучательный переход. S 0 S 1 * синглет 10 -8 с Время жизни в этом состоянии S * S 0 + Свечение прекращается после снятия возбуждения. Тоник облучают Видимым светом УФ Ярко флуоресцирующее лекарственное соединение хинин. В кислых р-рах синяя область 475 нм. синглет спин электрона не меняется фл фл
– это испускание кванта света при переходе возбужденного электрона из триплетного состояния в синглетное (спин электрона меняется). Это запрещенный по спину излучательный переход. Фосфоресценция Банка в темноте Облучили видимым светом и УФ Энергия, поглощенная веществом, высвобождается медленно в виде света. Т спин электрона меняется S * S 0 Свечение сохраняется после снятия возбуждения 10 -3 с S * Т S 0 + синглет триплет фосф фосф
Назовите три отличия синглета от триплета ВОПРОС: синглет S 0 S 1 * S 1 * S 0 Т синглет синглет ОТВЕТ: Время жизни в триплете больше Энергия в триплете меньше В триплете спин меняется 10 -3 с 10 -8 с триплет
Закон Стокса для фотолюминесценции Спектр люминесценции сдвинут в сторону больших длин волн относительно спектра, вызвавшего эту люминесценцию. Λ max L Λ max возб УФ Видим. УФ видимое 400 нм 760 нм Свет L - ии характеризуется большей длиной волны, чем свет возбуждающий. На законе Стокса основаны все методы измерения L- ии Стокс Дж. 1819-1903( Кембридж ) Колба с раствором флуоресцеина. Λ возб Λ L
Стоксовая L- я Резонансная L- я Антистоксовая L- я ( атом уже находится в возбужденном состоянии)
Спектры люминесценции Форма спектра L - ии Это характеристика L - ии. Это график зависимости интенсивности люминесценции от длины волны. Λ max L Положение максимума Λ max L - длина волны, на которую приходится максимум люминесценции Роль играет
Квантовый выход люминесценции ( φ ) Это отношение числа излучаемых фотонов ( N изл ) к числу поглощенных фотонов ( N погл ) Это КПД L- ии Для флуоресцеина φ = 0,9 ВОПРОС: Как это понимать? ОТВЕТ: На 10 погл-х квантов высветилось 9 ВОПРОС: Для белков φ =0,03 На 100 погл-х высветилось 3
Люминесцентный качественный и количественный анализ. L - анализ – это метод исследования различных объектов, основанный на наблюдении их люминесценции. Качественный анализ –это метод, позволяющий обнаруживать и идентифицировать вещества в смесях по форме спектра L - ии Отвечает на вопрос: Какое? Определение: наличия или отсутствия веществ; Изучение структуры молекул Химические превращения. ( по характерному для них свечению)
Количественный анализ –это метод, позволяющий определять концентрацию вещества в смесях по интенсивности спектра L - ии Отвечает на вопрос: Сколько? Чувствительность метода 10 -10 г / см 3 ВОПРОС: Как понимаете? Можно обнаруживать массу вещества 0, 1 нг Ответ:
Виды L - ии биологических объектов Под воздействием УФ Собственное свечение ( Первичная L -я ) Вторичная L -я ( возникает после соответствующей химической модификации имеющихся веществ ) Витамины В 1, А, Е,В 6 Белки Триптофан Тирозин Фенилаланин Белки содержат 3 собственных флуоресцирующих хромофора: Под действием L- х красителей = люминофоров. Это вещества, способные превращать поглощаемую ими энергию в люминесценцию. ПРИМЕР: Витамины В 12,С, Д Наркотические вещества морфин и героин после обработки серной кислотой с послед. выщелачиванием дают синюю флуоресценцию. Определяется до 0,02 мкг наркотика в крови. зел. УФ. син
Макроанализ Это наблюдение невооруженным глазом L - ии объектов, облученных УФ излучением. Контроль качества фармакологических препаратов. Контроль качества пищевых продуктов. Проводят по собственной L- ии Диагностика кожных заболеваний ( Проводят по собственной L- ии ) : под УФ свечение волос, кожи, ногтей при поражении их грибком и лишаем ( Ярко зеленая окраска) Лампа Вуда = лампа черного света ( дает УФ ) ПРИМЕР: При длительном хранении молока и сливок рибофлавин окисляется в люмихром. Цвет L - ии меняется от желто-зеленого к синему.
Люминесцентная микроскопия Это метод исследования, основанный на изучении под микроскопом L - го свечения объекта, возникающего при его освещении УФ.
Устройство L- го микроскопа 1. Источник для проведения фотовозбуждения : Ртутно-кварцевая лампа сверхвысокого давления (УФ) Поэтому линзы конденсора и объектива…. Из кварца. Чтобы увидеть L- ю нужны светофильтры. 2. Первичный светофильтр перед конденсором Выделяет область спектра, которая вызывает L- ию Λ возб Цвет: Фиолетовый, УФ 3. Вторичный светофильтр Между объективом и окуляром- выделяет свет L - ии Λ L Цвет: Зеленый, желтый 4. Наблюдают с помощью ФЭУ или визуально
Флуоресцентные з онды и м етки Это люминофоры, добавляемые к нелюминесцирующим веществам и связываемые с мембранами Флуоресцентные з онды ( нековалентная связь с БМ) Флуоресцентные м етки (химическая связь) это молекула, которая встраивается в структуру клетки, не меняя химических связей. ( Нековалентная связь с мембраной) Это люминофоры, ковалентно связанные с какими-либо молекулами, то есть путем образования химических связей.
ПРИМЕР: Определение скорости кровотока Внутривенно вводят флуоресцеин. Через несколько секунд ярко зеленая флуоресценция в тканях глаз, слизистой оболочке рта, на губах. φ = 0,9 L- ю вызывают УФ и наблюдают в видимой области. Фл-я ангиография сетчатки. Выход флуоресцеина из поврежденных сосудов Глазное дно после лазерокоакуляции сетчатки. Флуоресцентные з онды Определение проницаемости капилляров кожи Определение времени циркуляции крови и области с пониженным кровоснабжением.
ПРИМЕР: Использование флуоресцентно меченных антител в иммунологических исследованиях крови. Иммуноцитохимия Применение в клеточной биологии Эндотелиальные клетки. Ядра клеток – голубой цвет; микротрубочки – зеленые – фл-но меченые антитела; Актиновые микрофиламенты – красные - меченые флуоресцеином Флуоресцентные м етки
Фотобиологические процессы, их основные стадии Фотобиологические процессы –это процессы, которые начинаются с поглощения квантов света молекулами ! и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией в организме. Поглощается очень узкий участок спектра: УФ, видимое, ИК. Источник - Солнце УФ ИК ≈ Е связи электронов в молекуле, несколько эВ Для сравнения: энергия теплового движения сотые доли эВ. Следовательно, освещение молекул видимым светом соответствует их нагреванию до 20.000 0 С
А по функциональной роли можно разделить на 3 группы. Фотобиологические процессы можно разделить на позитивные и негативные. Фотобиологические процессы Синтез биологически важных соединений за счет энергии солнечного света свободная энергия ПРИМЕР: Синтез белка Информационные процессы Фотодеструктивные процессы Помутнение хрусталика Ожог кожи Рак кожи Мутация ПРИМЕР: Обеспечивают получение информации( источником служит свет, его яркость) и регуляцию тех или иных процессов. ПРИМЕР: Зрение; Фотопериодизм; Фототропизм свободная энергия
Многообразие, но стадии общие: Все разнообразие фотобиологических процессов можно свести к реализации нескольких последовательных стадий. I Фотофизическая II Фотохимическая III Биохимическая IY Биологическая или физиологическая реакция Световые Темновые
I Фото физич еская стадия = это возбуждение молекулы при поглощении кванта света. Этапы: Поглощение кванта света молекулой Это приводит к возбуждению молекулы = запасанию энергии внутри молекулы. Молекула становится донором электрона. ПРИМЕР: Типичные доноры – это возбужденные молекулы триптофана и тирозина (Ароматические АК). 2. Миграция энергии по молекуле Миграция энергии – это безызлучательный обмен энергией.
3. Миграция энергии от молекулы к молекуле. II Фото химич еская стадия = это химические превращения молекулы, вызванные фотофизической стадией. Этапы: 1. Образование нестабильных фотопродуктов Присоединение или отдача электрона или протона – это фотохимические реакции (Их два) W хим
ПРИМЕР: Фотоизомеризация молекулы Изомеры – молекулы с одинаковым составом и разной пространственной структурой Фотоизомеризация – изменение пространственной структуры молекулы, возникающее после ее фотовозбуждения. Одна единственная реакция в зрительном акте: 11-цис ретиналь переходит в полностью транс-ретиналь
Фотоокисление = фотоперенос электронов Фотовосстановление Фотоперенос протона Фотодиссоциация – распад молекул на ионы и радикалы. 2. Образование стабильных фотопродуктов III Биохимические реакции с участием фотопродуктов IY Биологическая реакция клеток или организма = физиологический ответ
Понятие о фотомедицине Фотомедицина – это область медицины, использующая оптическое излучение в лечебно-профилактических целях. Фотосенсибилизатор – это вещество, повышающее чувствительность биообъектов к свету. ПРИМЕР: Гематопорфирин Обладает свойством накапливаться в онкологически поврежденных клетках организма, как наиболее энергодефицитных зонах. 1950 г
ФДТ – фотодинамическая терапия – метод подавления доступных для света опухолей. Гематопорфирин вводится в / в, избирательно накапливается в метаболически активной опухолевой ткани. Поглощает в красной области спектра. Ткань облучают лазером.
Синий свет 400 нм используется в родильных домах для лечения желтухи новорожденных. ПРИМЕР: В крови накапливается в первые дни жизни аномально высокая концентрация билирубина - продукта распада гемоглобина из-за недостатка соответствующего фермента ( глюкуронилтрансферазы ). Гидрофобный билирубин плохо растворим в воде и хорошо в жире. Он склонен накапливаться в клетках мозга, что может привести к необратимым изменениям в ЦНС. Билирубин хорошо поглощает синий цвет. Под действием синего света билирубин легко фотоизомеризуется непосредственно в кровеносных сосудах, образуя водорастворимые продукты, легко выводящиеся из организма.
