A fény keletkezése. Hőmérsékleti sugárzás. Hőmérsékleti sugárzás. Lumineszcencia. Lézer. Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás

Átírás

1 A fény keletkezése Hőmérsékleti sugárzás Hőmérsékleti sugárzás Lumineszcencia Lézer Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás Környezetének hőfokától függetlenül minden test minden, abszolút nulla foktól különböző hőmérsékleten elektromágneses sugárzást bocsát ki. látható fényt bocsátanak ki Forrása: rezgő töltés oszcillátor

2 A rezgési energia kvantált természetű, csak meghatározott értékkel változhat. E= hf f: az oszcillátor frekvenciája h: Planck-állandó Planck (1900) A rezgési energia változása elektromágneses sugárzás elnyelésével illetve kibocsátásával jár. Kirchhoff megfigyelése: testre jellemző abszorpciós tényező J α = J absz össz hullámhosszról hullámhosszra változhat Abszolút fekete test: minden rá eső energiát elnyel α = 1 Kirchhoff megfigyelése: ha egy test erősebben sugároz, akkor jobban el is nyel : kisugárzott felületi teljesítmény [W/m 2 ] α λj = 1 λi λj α = α λi λj α λi < 1 i: tetszőleges test j: abszolút fekete test α 1 < 1 λ ( fekete) = < λ j α λj λ ( fekete) Az abszolút fekete test kisugárzott felületi teljesítménye a legnagyobb i < λ ( fekete) Az emberi test kb. 95%-os fekete testnek tekinthető Az abszolút fekete test által kisugárzott felületi teljesítmény a legnagyobb

3 A hőmérsékleti sugárzás emissziós spektruma Stefan Boltzmann törvény - a spektrum folytonos - egy maximuma van : λ max -a gőrbe alatti terület: Δ Δλ σ = 4 fekete( T ) = σt Stefan Boltzmann -állandó 8 W [ ] 2 4 m K Δ Δλ = σt Összes kisugárzott felületi teljesítmény 4 λ max λ λ max A hőmérsékleti sugárzás szerepe a hőleadásban Δ 4 4 = σ ( T test T környezet ) Befolyásolja a sugárzó test -hőmérséklete -felszínének területe -a környezet/a környező tárgyak hőmérséklete ennyi energiát veszít sugárzás révén 1 óra alatt az az ember, akinek testfelülete 0,8 m2, ha a környezet hőmérséklete 20 C? A bőrfelület hőmérséklete 27 C. (120 kj) T 1 =300K T 2 =293K σ=5,7*10-8 Wm -2 K -4 Δ=σ(T 14 -T 24 ) Δ=σ(T 14 -T 24 ) Δ=41,6 Wm -2 Ε=Δ*T*A Ε=119 J

4 Betekintés a hőszabályozásba Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás Betekintés a hőszabályozásba Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás A szervezet hőszabályozástól független hőtermelése: alapanyagcsere izommunka szekréció stb Sugárzás Vezetés Áramlás Sugárzás Vezetés Áramlás Sugárzás Vezetés Áramlás 100W elhanyagolható 10W Csak a hőszabályozás érdekében termelt + hő Nem szabályozható Párolgás Párolgás 10W aghőmérséklet köpenyhőmérséklet aghőmérséklet : 37 o C agy, szív/mellkas, hasüreg ilyen kihívások lehetnek a szabályozás számára? 1/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál alacsonyabb 2/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál magasabb Köpenyhőmérséklet: változó bőr, bőr alatti kötőszövet, végtagok Külső hőmérséklet optimális : komfort hőmérsékleti zóna nincs szükség extra energiára sem a testhőmérséklet emeléséhez, sem csökkentéséhez

5 Az emissziós spektrum változása a test hőmérsékletével energiafelhasználás hőtermelés Az ember komfortzónája T > 1 > T2 > T3 > T4 T5 Δ Δλ > 1 > 2 > 3 > 4 5 λ max 1 < λmax2 < λmax3 <... T λ max = állandó t környezeti ( o C) komfortzóna ruhában mezítelen komfortzóna Wien-féle eltolódási törvény T λ max = k 6 k = [ nm K] Δ UV VIS infravörös Δλ Alkalmazások 1. Hőmérsékleti sugárzás detektálása teletermográfia - infradiagnosztika A köpeny hőtérképe daganatok, gyulladások, érszűkületek diagnosztikája Wien-féle eltolódás alapján az emberi test spektrumának maximuma. T köpeny λ max 305 [K] 9500[ nm] λ [nm] Emberi hőtérképek készítésében alkalmazott készülékek érzékenységi maximuma: 7-14 microméter 700 K testhőmérséklet alatt a sugárzás nem látható

6 Normal és infrakamerával készült felvételek A termográfia alkalmazásának szakterületei: sportegészségügy reumatológia emlőrák diagnosztika fogászat neurológia thermal camera Vérellátottság megváltozása dohányzás gyulladás vagy trombózis Oral maxillo-facial thermography temperature gradient for normal teeth Thermogram of a non-vital tooth axillo-faciális termográfia egészséges fog hőmérsékleti térképe axillo-faciális termográfia elhalt fog hőmérsékleti térképe J Dent Oral ed 13 (2011), Nr. 4

7 Nem orvosi célú felhasználási területek Szigeteléstechnika Élelmiszeripar

8 Csillagászat 300 K Alkalmazások 6,000 K 2. Hőmérsekleti sugárzó fényforrások T (K) λ max (μm) Spektrumtartomány (W/m 2 ) Nap VIS 7 x 10 7 Föld infravörös 460 Hőmérsékleti sugárzó fényforrások Látás érzékenysége A napsugárzás spektruma és módosulása a égkörben A NAP hőmérsékleti sugárzásának 40 % esik a látható tartományba. h őhőmérsékleti λ max közel van a szem legnagyobb érzékenységéhez X-ray UV Spektrum a Föld felszínén: λ < 290 nm-t a légkör kiszűri

9 Izzólámpa etal filaments in a glass bulb heated to high temperature to approach the spectrum of the Sun. Villanykörte Wolfram 3000 K Infralámpa Wolfram 1300 K blackbody Sollux lámpa W-nál nagyobb teljesítmény T>3300 K-nél hosszú hullámhosszú IR kiszűrése UV szűrés, ill. UV -> UVA for tanning Látás érzékenysége VIS W-szálas izzó Seasonal Affective Disorder (S.A.D.) kezelése 5000 K hőmérsékleti sugárzó fényforrás (λ max = 580 nm) UV szűrővel (Nap: kb 6000 K, λ max = 480 nm) A megvilágítás erőssége: max ezer lux (normál munkahelyi világítás kb lux, tűző napsütés kb 10 5 lux) Kezelési idő: perc / nap A hét kérdése iért nem látható az emberi test által emittált hőmérsékleti sugárzás?

10 Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II