Elektromágneses sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások. Sugárzások és biológiai rendszerek

Átírás

1 Elektromágneses sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások Dr. Fidy Judit egyetemi tanár 01 Febr.15 Tormaperoxidáz Foszfoglicerát kináz Sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások Fény Röntgen sug. : elekromágneses hullámok Logaritmikus skála 10 9 m = 1nanometer Látható fény (nem ionizáló) fotonenergia=hf (ev) Röntgensugárzás (Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika) 800nm 1.55 ev 400nm 3.1 ev (Magsugárzások és nagy energiájú röntgen sugárzás orvosi alkalmazásai Orvosi fizika MSc)

2 emlékeztető Fény X-ray Logaritmikus skála elekromágneses hullámok 10 9 m = 1nanometer 1 ev = 1.6 x Joule fotonenergia=hf (ev) X-rays 10 ev 300keV 10 3 pm 10pm Elektromágneses hullámok - emlékeztető EM hullámok fontos tulajdonságai T H B t x E = E B = B max max sin ( π t + π x + Φ) T λ sin ( π t + π x + Φ) T λ Az elektromos és mágneses térnek azonos a fázisa és a periodicitása (T, λ) c = λ / T, f = 1/T, c = f λ(m/s) c = 99,79,458 m/s vákuumban c = E B

3 Elekromágneses hullámok kettős természet? Logaritmikus skála 800nm 1.55 ev X-rays 400nm 3.1 ev fotonenergia=hf (ev) A fény természete, forrásai és biológiai hatásai hullám -leírás foton - kép A fény terjedésének és anyagi kölcsönhatásainak értelmezéséhez mind a hullám- mind a fotonleírást használjuk A fény hullám paraméterei Kettős természet - hullám Huygens elv, diffrakció, interferencia -részecske: foton (energia-kvantum) fotoelektromos hatás, energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban partnere az elektron X-rays UV-C nm UV-B nm UV-A nm 6. ev 1.8 ev

4 A fény hullám polarizáltsága Poláros fény A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben a. Síkban/lineárisan poláros fény A térerősség vektorok iránya a hullám mentén állandó síkot határoz meg. A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben b. Cirkulárisan poláros fény jobbra - balra c r A térerősség vektor végpontja a terjedés iránya körüli spirálison mozog. A c vektor irányára merőleges síkra vetítve E és B egyenletes körmozgást végez. Jobbra cirkulárisan poláros fény E r x Poláros fény Poláros fény A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben A linárisan poláros fény két, jobbra, ill. balra cirkulárisan poláros fény eredője Balra cirkulárisan poláros fény c r x A térerősség vektor végpontja a terjedés iránya körüli spirálison mozog. A c vektor irányára merőleges síkra vetítve E és B egyenletes körmozgást végez. Jobbra cirkulárisan poláros fény Azonos terjedési sebesség, frekvencia és amplitudó Optikailag aktív anyagok (molekulák, szerkezetek) a linárisan poláros fény térerősség-vektorának irányát elfordítják Oka: speciális aszimmetria tükörszimmetria hiánya A mintában a cirkulárisan poláros komponensek terjedési sebessége különböző Balra cirkulárisan poláros fény c r x Jobbra cirkulárisan poláros fény Az optikai forgatás mértéke a molekulák minőségre jellemző és arányos a részecskeszámmal Különböző terjedési sebesség, azonos amplitudó Azonos terjedési sebesség és amplitudó

5 Poláros fény Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata Elliptikusan poláros fény Cirkuláris dikroizmus RNS RNS-bázisok h f = h c λ A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum A két cirkulárisan poláros komponens törésmutatóban és abszorbanciában is különbözik a kölcsönhatás után az eredő elliptikusan polárossá válik Elektron-pályaenergia E n szabad elektron-állapotok E n+1 E n Gerjesztés: fény-fotonenergia-felvétellel Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata Fényfoton elnyelése - emissziója használt sémák, jelölések Elektron-pályaenergia E n h f = h c λ A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától szabad elektron-állapotok E n+ E n Gerjesztés: fotonenergia-felvétellel Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum pályanenergia E n Szabad elektron E n+ E n+1 E n pályaenergia E n Szingulett állapot (singlet): hf hf = E = E n+ 1 gerjesztés n+ szingulett alapállapot S 0 szingulett gerjesztett állapot S 1 1 s i i = 0 E n E n relaxáció Pl. emisszió Sematikus ábrázolás: csak a legfelső betöltött nívó elektronjai

6 Optikai elektron-átmenetek FOTON ELEKTRON abszorpció és emisszió foton-képben Fényfoton elnyelése emissziója Mérés: optikai spektroszkópia Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu atom SPEKTRUM pályaenergiák Optikai foton-energia (~-3 ev) elnyelése - emissziója a legkülső leglazábban kötött elektronokat érinti -Elnyelési -Abszorpciós spektrum -Kibocsátási -Emissziós spektrum elnyelés v. kibocsátás valószínűsége E Kα 8 kev (L->K átmenet) Röntgen-tartomány! ( 1 mv - részecske- sugárzás) hf = h c = hc 1 λ λ [ ] 1 1 ev [ cm ] λ energia pl. részecske-energia fotonenergia IR- VIS UV Optikai spektroszkópia Milyen fény-fotonok gerjesztenek? Mérés: optikai abszorpciós spektrum Milyen fotonok gerjesztenek? ε (λ) Moláris extinkció kvantumkémiai értelmezése: Átmeneti dipólus-momentum abszorpciós spektrofotométer Egy elektronátmenet valószínűségét a kiindulási és a végső elektron-vibrációs pálya Kvantumszámai határozzák meg (hullám-kép): Hemoglobin abszorpciós spektruma kiválasztási szabályok S 0 ->S J fényintenzitás Mennyit változhatnak a kvantumszámok? J 0 molekula híg oldata Lambert-Beer törvény Δn = bármennyi, Δl = +/-1, Δm = 0 vagy +/-1 Δs = 0 + vibrációs módusok csatolása S 0 ->S 1 A= D= Abszorbancia Optikai denzitás lg J 0 J = ε λ ( ) c l h*f Gerjesztési vagy emissziós átmenetben az elektron spinállapota nem változhat Megengedett, és tiltott átmenetek nagy vagy kis valószínűségű átmenetek

7 Molekula kölcsönhatásban a környezettel sávos spektrumok Molekula kölcsönhatásban a környezettel emisszió csak a legalsó gerjesztett állapotból Az elektron-pályák energiáit a molekulák diszkrét vibrációs állapotai kis mértékben perturbálják Az elektron-pályák energiáit a molekulák diszkrét vibrációs állapotai kis mértékben perturbálják gerjesztés relaxáció Aromás szénhidrogének A vibrációs nívók mind az abszorpciós, mind az emissziós átmenetek fotonenergiáiban új lehetőségeket jelentenek Egyes fotonenergiák helyett közeli Fotonenergiák sorozata a spektrumokban Molekulák vibrációi SÁVOK T hőmérséklet Környezeti kölcsönhatások gerjesztés relaxáció Aromás szénhidrogének Kasha-szabály A felsőbb gerjesztett állapotokból nincs átmenet az alapállapotba fotonemisszióval vibrációs relaxáció (energialeadás hő formájában) az elektronállapotokon belül, és az S 1 állapotba Emisszió csak az S 1 nívóról Molekula kölcsönhatásban a környezettel emisszió a gerjesztésnél hosszabb hullámhosszakon A polarizáció (hullám-tulajdonság) szerepe fény-abszorpcióban, fény-emisszióban A mért abszorpciós és emissziós sávok energiája eltér egymástól Stokes-féle eltolódás A molekulák gerjesztésekor elektronállapotváltozás töltéseltolódás Dipólus vektorral jellemezhető : átmeneti momentum Függ a molekula szerkezetétől, a szerkezethez orientált pl. triptofán: a molekula sikjában Fotoszelekció: poláros fény elektromos térerősség vektora azokat az elektronokat gerjeszti, ahol a keltett dipólus-momentum és a térerősség vektor iránya (közelitőleg) megegyezik. Emisszióban is dipólus-jelleg érvényesül. Az abszorpció és az emisszió is a legalsó vibrációs szintről történik hf abs > hf λ < λ abs fluo fluo Polarizált gerjesztés Álló molekula Polarizált emisszió Maximum-helyek

8 Az emisszió polarizációfokának (p) mérése A fény biológiai hatásai p= I VV -I VH I VV +I VH V vertikális polarizáció H horizontális Szempontok: Mi nyeli el? Milyen mélyre jut? Milyen szerveket ér fény? Fénnyel kiváltott reakciók, terápiás beavatkozások Ha a molekula a gerjesztett állapot ideje alatt elfordul az emisszió polarizációja csökken Beágyazó környezet (pl. plazmamembrán ) fluiditásának jellemzése A fény biológiai hatásai Mit ér közvetlenül fény? A fény biológiai hatásai Mit ér közvetlenül fény? Immune supression Káros hatások szemre bőrre Pozitív hatások szemre bőrre Szervezetre? Ismert hatások: - D-vitamin szintézis (UV-A) - anyagcsere, hormonrendszer, immunrendszer stimulálása (VIS) - téli depresszió & melatonin hormon túltermelése. Sok az ismeretlen tényező!

9 A fény biológiai hatásai Milyen molekulák nyelik el? Relatív optikai denzitás Hemoglobin, mioglobin β-karotin Melanin Hullámhossz (nm) Endogén A fény biológiai hatásai Milyen molekulák nyelik el? Endogén Relatív optikai denzitás fehérjék aromás aminósavai Hullámhossz (nm) DNS purin és pirimidin bázisai +Exogén kromofórok -ételfestékek -gyógyszerek -kozmetikumok.. A fény biológiai hatásai Milyen molekulák nyelik el? A fény biológiai hatásai Behatolási mélység? NUV UVB UVC UVA λ[nm] cornea iris lencse Szem UVA λ[nm] 360 λ[nm] 47 cornea iris lencse 36 5 retina 1 1 retina 1

10 A fény biológiai hatásai Behatolási mélység? A fény biológiai hatásai Fotokémiai mechanizmusok Bőr Fény reflexiója Indirekt fotokémiai reakciók Elektronátadás hν D D* írha D* + A D + + A - Termék : reaktív szabadgyök bőralja Energiaátadás hν D D* Pigmentek elnyelése- barnulás Szénhidrogének elnyelése D* + A D + A* Aromás aminosavak elnyelése Termék: szinglet oxigén Nukleinsavak elnyelése A fény biológiai hatásai Fotokémiai mechanizmusok A fény biológiai hatásai Fotokémiai mechanizmusok Direkt fotokémiai hatások: az elnyelt foton közvetlenül vezet kémiai átalakuláshoz Terápiás alkalmazások fényérzékenyítőkön keresztül - specifikus kötődés + száloptika - UV fotodimerizáció DNS, RNS-ben (timin, citozin, uracil) - fotohidratáció -DNS-fehérje keresztkötés -bőrgyógyászati alkalmazások

11 Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások A napsugárzás emissziós spektruma 1. Hőmérsékleti sugárzás folytonos spektrum Oka: anyagok belső szerkezetének termikusan gerjesztett rezgései 4 M = σ T Fény? T-től függ λ T = konst max A Nap emissziós spektruma A látás érzékenységi görbéje A Nap hőmérsékleti sugárzása A Föld légkörét elérő sugárzás A Föld felszínét elérő sugárzás Izzószálas fényforrások Wolfram szál spektruma (Sollux lámpákban) Halogén gáz töltet a szál párolgása ellen A Nap sugárázásának UV tartományát a légkör elnyelése szűri ki O 3 tartalom!.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Jellemző paraméterek természetben ritka Az emisszió előfeltétele: gerjesztett elektronállapot - Az emissziós spektrum ΔJ Δλ hideg emisszió Stokes szabály Kasha szabály Sávos, vagy vonalas - Az emisszió kvantumhatásfoka: az elnyelt és emittált fotonok számának aránya (fotolumineszcenciánál) Az emissziós spektrum görbe alatti területe Φ em N = N em absz = k em k + k em belső + k külső λ ( ) ν F ν d ν = 1 λ A gerjesztett elektron egyéb energialeadási reakciósebességei

12 . 1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Ritka jelenség a természetben.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia A fényemisszió kvantumhatásfoka kicsi más reakcióutak az energialeadásra Megkülönböztetés az emittáló gerjesztett elektronállapot alapján. Jablonski diagram Az S 1 állapotú gerjesztett elektron spinátfordulással átmehet a T 1 gerjesztett állapotba, ahonnan az S 0 alapállapotba visszatérés tiltott T 1 : alacsonyabb energiájú, hosszú élettartamú metastabil gerjesztett állapot Foszforeszcencia: spontán fotonemisszió metastabil (T 1 ) állapotból.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia Fluoreszcencia: -Megengedett elektron-átmenetből (S1->S0) származó spontán fényemisszió -Élettartama rövid, τ ~ 1-10 ns <-> gerjesztési idő ~10-3 ns -Karakterisztikus fotonenergia(tartomány) szín jellemzi - Többféle gerjesztési átmenettel is gerjeszthető Foszforeszcencia: -Spontán fényemisszió metastabil átmenetből -Az emittáló nívó élettartama hosszú τ ~ ms, sec metastabil állapot -Az emittált fény fotonenergiája kisebb mint a fluoreszcenciáé -Hosszú élettartam -> lehetőség a környezeti energialeadásra emissziós intenzitás igen kicsi -> orvosi alkalmazása csekély

13 .1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia spektrumok összehasonlítása Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások.1. Lumineszcencián Metal vapour (e.g. Hg) lamps alapuló fényforrások természetesen lumineszkáló aminosav Triptofán - egy fehérjében Absz. Fluo Alapja: gázkisülési csövekben keltett elektrolumineszcencia - (az üvegbúra elnyeli az UV fényt, a kvarz nem) + - Foszf -Alacsony nyomású fémgőz-lámpák Absz Fluo Foszforeszc. T=10K Vibrációs relaxáció Pl. - Na-lámpa sárga fénye - germicidlámpa: alacsony nyomású higanygőz vonalas emissziós spektruma 54 nm-en elnyelődik baktériumok genetikai állományában sterilizáló hatás Stokes-féle eltolódás λfoszf > λfluo > λabsz -Ívlámpák nagy nyomású Hg, Xe vagy Na-lámpák, ionizált plazma ívkisülése folytonos spektrum jellegzetes vonalakkal Fémgőz lámpák - Fénycsövek Pl. alacsony nyomású Hg gőz + _ Kisnyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma Falra párologtatott vékony réteg bevonat A gáz-töltet elektrolumineszcenciája (Hg esetén UV fény) gerjeszti a fal bevonatának fotolumineszcenciáját. Ez már látható fény, ami áthatol az üvegfalon. A kilépő fény spektruma a bevonattól függ, célja a Nap spektrumának közelítése. Üvegfalú cső Jó fényhozam kompakt csövek Nagy-nyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma Erythemal lámpa : λ a nm közeli UV- tartományban, uviol üvegfal Hg-gőz lámpa

14 Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások.. Indukált fényemisszió - lézerek Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások.. Indukált fényemisszió - lézerek Spontán emissziós fény : Az egyes elektronátmenetek térben és időben rendezetlenül, véletlenszerűen történnek. Az egyes hullámvonulatok fázisa egymástól független. A fény inkoherens Indukált emissziós fény: A fényfotonok emisszióját az emittálandó fotonenergiával azonos energiájú foton jelenléte indukálja. A kibocsátott hullámvonulat a kiváltóval azonos fázisban lép ki, együtt koherensek LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 1961, Rubin-lézer Nemcsak erősítő, hanem speciális fényforrás A lézer-fény speciális tulajdonságai -monokromatikus Δf/f ~ ( 10-6 ) -koherens : nagy a koherencia-hossz (10 3 m 10-3 m) -kis divergencia (néhány szögperc) jól fókuszálható -nagy intenzitás átlagos intenzitás impulzus-intenzitás.. Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés energia felmelegedés.. Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés --- energia --- felmelegedés speciális szem-alkotó szövetek

15 Lézerek Eddig: fény Következik: röntgensugárzás Szemészeti alkalmazás Általános sebészeti alkalmazás fény röntgensugárzás (rtg. cső) Fotonenergia ev 0 00 kev Primér hatás e - gerjesztés e - ionizáció Elnyelődés diszkrét fotonenergiáknál energia folytonos valószínűsége függvénye A röntgensugárzás természete, forrása és biológiai hatásai Wilhelm Konrad Röntgen ( )

16 Röntgensugárzás keltése röntgencsővel Röntgencsövek - forgó anód - hűtés Rtg. Sug. keletkezik, ha nagy sebességű elektronok nagy rendszámú anyagban lefékeződnek. Az anódban nagy a hőfejlődés η = P P sug el < 1 % A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Emissziós spektrumok növekvő gyorsító feszültség mellett - Nagy feszültség (U) mellett a spektrum vonalassá válik - Az össz-teljesítmény erősen nő a feszültséggel A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Kétféle mechanizmus 1.Fékezési röntgensugárzás (Brehmstrahlung) - A spektrum a rövid hullámhosszú oldalon élesen végződik, λ hat csökken, ha U nő qeu = 1 m c ev = hfh = h λ λ h c h = 1 q U e h λ h c h = 1 q U - minden (nagy) U-nál - spektruma folytonos - teljes kisugárzott teljesítmény: e P rtg = konst U 1.1*10-9 V -1 I Z Anód anyaga Határoló hullámhossz λ hat - ezen alapul a röntgendiagnosztika

17 A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Kétféle mechanizmus. Karakterisztikus röntgensugárzás - csak elég nagy U felett - spektruma vonalas, az anód anyagára jellemző Cu-atom. Karakterisztikus röntgensugárzás Cu-anód 1.Ionizáció. üres állapot betöltése Alkalmazások: - Molibdén anód vonalai emlődiagnosztikában - vonalak fotonenergiája alapján kémiai elemzés A röntgensugárzás alkalmazásai Röntgendiagnosztika alapjai A röntgensugárzás alkalmazásai Röntgendiagnosztika alapjai A diagnosztikai alkalmazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak Kétféle mechanizmus a fotonenergiától függő súllyal. Ionizáló sugárzás: az elnyelt foton ionizál fotoeffektus J = J e m o μ = μ Abszorpciós együttható m m μx ρ = J Tömeggyengítési együttható μ = τ + σ m o e μ ρx τ m erősen függ Z-től és a fotonenergiától m hf = A + 1 mv + hf Lágy szövetek 3 τ = konst λ Z m J = J e μx o 3 = J e ( τ m + σ m ) ρ x o Röntgen-kép kontrasztja függ -sűrüségkülönbségektől - rendszám-különbségektől

18 A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai A biológiai makromolekulák atomi felbontású szerkezetének meghatározása a röntgensugárzás diffrakcióján alapul. A mérést a makromolekulák egykristályain végzik. A diffrakció felhasználása: monokromatikus nyalábok előállítása spektroszkópiai célokra Bragg-egyenletek Diffrakció és interferencia - az erősítés feltétele: d sinθ = nλ d λ d ~ atomi kötéstávolságok d ~ 150 pm λ röntgentartományú E ( kev ) = 1.4 λ ( nm ) Lizozim enzim kristály diffrakciós képe Megjegyzések gamma-sugárzásról fotonenergia ~ MeV elnyelési valószínűség: << rtg. sug. - 1 Mev körül minimuma lehet Vége Köszönöm a figyelmet Röntgen sugárzás

19 Ez a kép most nem jeleníthető meg. A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere Feltesszük, hogy az oldatot olyan fénnyel világítjuk meg, amelyre teljesül a gerjesztési energia-feltétel hf = E n +1 E n Az elektronok a fény elektromos vektorának irányában elmozdulnak az energia-átmenet során. Mekkora a dipólusmomentum keltésének valószínűsége? Az elektromos dipólusmomentum várható értéke az átmenet során? M a g Átmeneti momentum állapotfüggvény ψ ψ r r (, R ) = θ (, R ) φ( R ) a i r j ( x, Q) = θ ( x, Q) φ ( Q) elektronok magok a i r j a r j Born-Oppenheimer közelítés az elektronok mozgása független a magokétól A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere r r r r r μ = μe + μmag = q i z j q e e Rj ψ a ( x, Q) = θa ( x, Q) φa ( Q) M a g ψ ˆ = a μ ψ g M komplex konjugált a g ( Q ) q e θ = a ( x, Q )[ ri ] θ g ( x, Q )dx a Q M ag Q φ gn Q dq M ag φ a φ 0 M Atomtörzsek vibrációs állapotai: g,n -- a gerjesztett molekuláris elektronállapot n.-ik vibrációs állapota r dipól operátor ( ) ( ) ( ) ( Q) φ ( Q)dQ gn a 0 = 0 gn Abszorpciós spektroszkópia biofizikai alkalmazások lg I I 0 = ε λ Abszorbancia Optikai Denzitás ( ) c x moláris konc. moláris extinkció küvetta rétegvastagsága Molekuláris szerkezetvizsgálat Fontos mennyiségek Oszcillátor erő f 9 = 4.3 ε ~ ~ 10 d Kloroplaszt spektruma S S 0 ( ν ) ν hf=fotonenergia (ev)=134 1 λ ( nm) Hullámszám (cm -1 )=(1/ λ(nm))*10 7 pl. Vibrációk energiája cm -1 Elektronátmenetek és molekuláris rezgések gerjesztése MÉRÉS Az a-g átmeneti valószínűség K spin M multiplicitás a g az összes vibrációs állapotokat tekintve = const. ε ( f ) df f hullámszám 1600 cm cm -1 S 1 S 0 vibronikus átmenetek

20 3.. Fényabszorpció fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett állapotból azonos spinállapotú alapállapotba 3.. Fényabszorpció fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett állapotból azonos spinállapotú alapállapotba Átmeneti valószínűségek Einstein együtthatók: B ag abszorpció B ga indukált emisszió A ga spontán emisszió B a, g Feltétel: B g,a A g, a alap hf = ΔE ga gerj fotonsugárzás jelenléte Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő N N Φ B em abs F g a =Φ = A F g a = B a g Fluoreszcencia emisszió kvantumhatásfoka = 8π hf Φ = ( ~ ν ) ~ ν ~ ν = 1 F F d λ 3 a g = K M Fluoreszcencia spektrum n c 3 3 a g B g a ε ~ ~ ~ ν ( ν ) d ν az abszorpciós és emissziós spektrumok görbe alatti területei (azonos állapotok között) egymásból kiszámíthatók.. lézerek működési elve.. lézerek működési elve A lézer anyaga A lézer anyag gerjesztése Gáz, folyadék, szilárd test Követelmény: a gerjesztési és emissziós elektron-átmenetek három energiaállapoton belül történjenek, amelyek közül az egyik magasabb nívónak legyen hosszú az élettartama lézer-nívó Az elektronok gerjesztése külső forrásból: Pl. gázkisülés, fényimpulzus Intenzív gerjesztés a felső nívó populálása átmenet a metastabíl nívóra N m a hosszú élettartam N g gerjesztés sugárzás nélküli átmenet metastabil lézer nívó N m miatt megnő, az alsó nívó kiürül: N m >>N 0 N 0 populáció inverzió: a fényerősítés feltétele

21 .. lézerek működési elve.. lézerek működési elve Fényerősítés indukált emisszióval Az optikai rezonátor Populáció inverzió mellett a rendszer a hf= E m -E 0 fotonenergiájú sugárzást erősíti, ilyen foton indukálja az emissziót 99.9% Erősíti a lézer tengelyével egyirányú sugárzást Leszűkíti az emisszió hullámhossztartományát 99% L = m λ N m nagy néhány spontán emisszió E 0 -ra fényerősítés állóhullámok kialakulása Mai kérdés: Hogyan alkalmazná az alábbi képletet, és milyen adatok hiányoznak, ha azt akarjuk megbecsülni a segítségével, hogy egy sok kötéssel stabilizált óriás-molekulában hány %-ban vannak felszakadt kötések? n n 1 = e Δ ε kt