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

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

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

Irén Dobosné
7 évvel ezelőtt
Látták:

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

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 α = E E 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 A szervezet hőszabályozástól független hőtermelése: alapanyagcsere izommunka szekréció stb Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás Csak a hőszabályozás érdekében termelt + hő Betekintés a hőszabályozásba Sugárzás Vezetés Áramlás Nem szabályozható Sugárzás Vezetés Áramlás Párolgás

Betekintés a hőszabályozásba Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás aghőmérséklet köpenyhőmérséklet aghőmérséklet : 37 o C agy, szív/mellkas, hasüreg Sugárzás Vezetés Áramlás Párolgás 100W elhanyagolható

4 Betekintés a hőszabályozásba Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás aghőmérséklet köpenyhőmérséklet aghőmérséklet : 37 o C agy, szív/mellkas, hasüreg Sugárzás Vezetés Áramlás Párolgás 100W elhanyagolható 10W 10W Köpenyhőmérséklet: változó bőr, bőr alatti kötőszövet, végtagok Külső hőmérséklet ilyen kihívások lehetnek a szabályozás számára? 1/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál alacsonyabb 2/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál magasabb energiafelhasználás hőtermelés Az ember komfortzónája optimális : komfort hőmérsékleti zóna nincs szükség extra energiára sem a testhőmérséklet emeléséhez, sem csökkentéséhez t környezeti ( o C) komfortzóna ruhában mezítelen komfortzóna

Az emissziós spektrum változása a test hőmérsékletével T > 1 > T2 > T3 > T4 T5 Δ Δλ Wien-féle eltolódási törvény T λ max = k Δ UV VIS infravörös Δλ λ > 1 > 2 > 3 > 4 5 max 1 < λmax2 < λmax3 < T λ max

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

A termográfia alkalmazásának szakterületei: sportegészségügy reumatológia emlőrák diagnosztika fogászat neurológia Nem orvosi célú felhasználási területek Szigeteléstechnika

6 A termográfia alkalmazásának szakterületei: sportegészségügy reumatológia emlőrák diagnosztika fogászat neurológia Nem orvosi célú felhasználási területek Szigeteléstechnika Élelmiszeripar 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

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.

7 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 Photothermal detection of dental caries Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II

8 Fényemisszió formái Hőmérsékleti (feketetest) sugárzás Lumineszcencia Lézer Lumineszcencia Ismétlés Az atomban az elektronok energiaállapotai kvantáltak A lehetséges legalacsonyabb energiájú állapotot töltik be Pauli féle tilalmi elv

9 Tekintsünk egy atomot Gerjesztés sokféleképpen lehetséges Gerjesztő energiahν E 1 E 1 E 0 E 0 -(fény) foton elnyelése: fotolumineszcencia -kémiai reakció energiája: kemo/bio-lumineszcencia -ütközés elektromos térrel gyorsított töltésekkel: Alapállapot Energiafelvétel Gerjesztett állapot elektrolumineszcencia -mechanikai deformáció: tribolumineszcencia -hőközlés: termolumineszcencia E 1 E 0 E 1 külső héjon lévő elektron gerjesztése Lumineszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett elektron energiájának a rovására E 0 elektron visszatérése alapállapotba Spontán, külső hatás nélkül Lépései: külső héjon lévő elektron gerjesztése E 1 elektron spontán visszatérése alapállapotba E 0 fényemisszió hf=e 1 -E 0

Tekintsük az atomok sokaságát kölcsönhatásban egymással és a környezetükkel S 1 Kasha-szabály: S 1 gerjesztés sugárzás nélküli energialeadás fényemisszió gerjesztés S 0 a fényemisszió a legalsó

Fluoreszcencia Fényemiszió spinváltozás nélkül λgerjesztés λfluoreszcencia Stokes-eltolódás Emittált foton energiájának jellemzése sugárzás nélküli energialeadás S 1 gerjesztés spinátfordulás

10 Tekintsük az atomok sokaságát kölcsönhatásban egymással és a környezetükkel S 1 Kasha-szabály: S 1 gerjesztés sugárzás nélküli energialeadás fényemisszió gerjesztés S 0 a fényemisszió a legalsó gerjesztett elektronállapot legalsó rezgési nívójáról történik S 0 Egerjesztés Efluoreszcencia Szingulett állapot Párosított spinű elektronok Fluoreszcencia Fényemiszió spinváltozás nélkül Fluoreszcencia Fényemiszió spinváltozás nélkül λgerjesztés λfluoreszcencia Stokes-eltolódás Emittált foton energiájának jellemzése sugárzás nélküli energialeadás S 1 gerjesztés spinátfordulás fényemisszió fényemisszió T 1 S 1 spinátfordulás T 1 gerjesztés fényemisszió fényemisszió S 0 Foszforeszcencia Fényemiszió spinváltozás után Triplett állapot Párosítatlan spinű elektronok etastabil állapot S 0 Stokes-eltolódás Fluoreszcencia Foszforeszcencia Egerjesztés Efluoreszcencia > Efoszforeszcencia λgerjesztés λfluoreszcencia < λfoszforeszcencia

Emisszió jellemzése Emittált intenzítás hullámhossz szerinti eloszlása Emissziós spektrum Atomok esetében: vonalas spektrum dj/dλ ennyi?

11 Emisszió jellemzése Emittált intenzítás hullámhossz szerinti eloszlása Emissziós spektrum Atomok esetében: vonalas spektrum dj/dλ ennyi? Emittált intenzítás hullámhossz szerinti eloszlása Emissziós spektrum olekulák esetében: sávos spektrum ΔJ/Δλ abszorpció fluoreszcencia lgj 0 /J foszforeszcencia i? hullámhossz (nm) hullámhossz (nm) λgerjesztés λfluoreszcencia < λfoszforeszcencia Stokes-eltolódás Pl.: A triptofán megfelelő spektrumai Gerjesztett állapot időtartamának jellemzése Fluoreszcencia gerjesztési spektrum Fluoreszcencia λ em =340 nm emissziós spektrum λ gerj =295 nm rel.δj/δλ hullámhossz (nm) Foszforeszcencia emissziós spektrum λ gerj =295 nm Időkorrelált egyfoton-számlálás A fluoreszcencia intenzitásának folyamatos mérése helyett a gerjesztő és a detektált impulzus közötti időt mérjük, nagyon sok mérés statisztikája adja a fluoreszcencia lecsengési görbét.

12 Gerjesztett állapot időtartamának jellemzése Gerjesztett elektronok száma N = N 0 e τ t - Exponenciális lecsengés Élettartam az az idő, ami alatt a gerjesztett elektronok száma a gerjesztés megszűnése után e-ed részére csökken N N o τ: Élettartam gerjesztés S 1 T 1 fényemisszió fényemisszió N o /e N o /2 az az idő, ami alatt a gerjesztett elektronok száma a gerjesztés megszűnése után e-ed részére csökken S 0 Fluoreszcencia Foszforeszcencia 0 0 T τ t rövid hosszú s s inden gerjesztést fényemisszió követ? Környezetükkel kölcsönhatásban levő molekulák (oldatban, sejtekben, szövetekben) elektronjai igen ritkán adják le fotonemisszióval a gerjesztéskor felvett energiájukat. Sokkal valószínűbb, hogy az energialeadás sugárzás nélkül, vagyis hő keltésével vagy kémiai reakciók útján történik. inden gerjesztést fényemisszió követ? Kvantumhatásfok az egy B keletkezéséhez szükséges elnyelt fotonok számának a reciproka Fluoreszcencia kvantumhatásfoka (Q F ) A A fluoreszcencia során emittált és elnyelt fotonok hányadosa. Q F 1 hν B

A lumineszcencia fajtái fluoreszcencia foszforeszcencia Jellemzésük emissziós spektrum élettartam kvantumhatásfok típusa maximumának helye alakja amplitúdója A lumineszcencia

lángfotométer) lumineszcencia spektroszkópia lumineszcencia mikroszkópia diagnosztika dózismérés (lásd majd dozimetria) régészeti kormeghatározás belső építészet

13 A lumineszcencia fajtái fluoreszcencia foszforeszcencia Jellemzésük emissziós spektrum élettartam kvantumhatásfok típusa maximumának helye alakja amplitúdója A lumineszcencia alkalmazási területei fényforrások (világítás, sterilizálás, szolárium, terápiás alkalmazások, stb.) koncentráció meghatározása (pl. lángfotométer) lumineszcencia spektroszkópia lumineszcencia mikroszkópia diagnosztika dózismérés (lásd majd dozimetria) régészeti kormeghatározás belső építészet biztonságtechnika Fényforrások Fémgőz lámpák Kisnyomású Hg-gőz lámpa DNS elnyelési maximuma Kisnyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma Nagynyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma hullámhossz (nm) emissziós spektruma Sterilizálás germicid lámpa

Példák a fogorvosi alkalmazásra Az orvosi diagnosztikában, és kutatómunkában elterjedten használnak lumineszcencia módszereket Intrinzik fluoreszcencia v.

14 Példák a fogorvosi alkalmazásra Az orvosi diagnosztikában, és kutatómunkában elterjedten használnak lumineszcencia módszereket Intrinzik fluoreszcencia v. fluoreszcens jelzés Piros fluoreszcencia a tömés peremén jelzi a tökéletlen illeszkedést és a megtelepedő baktériumokat Amalgám tömés elégtelen illeszkedése Kékfény gerjesztés Tejfogak felszíne natív állapotban és fluroeszcens festés után Lumineszcencia mikroszkópi Egészséges és malignus szövetek eltérő fluoreszcens tulajdonságai Aktív caries Laboratóriumi alkalmazás számos területe Fog felszíne natív állapotban és fluroeszcens festés után Kezdődő caries

15 Sok egyéb... Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika II. 2.2 VI ből oldal 3.3.3

Hasonló dokumentumok

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

A fény keletkezése. Hőmérsékleti sugárzás. Hőmérsékleti sugárzás. Lumineszcencia. Lézer. Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás A fény keletkezése Hőmérsékleti sugárzás Hőmérsékleti sugárzás Lumineszcencia Lézer Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás Környezetének hőfokától függetlenül minden test minden, abszolút nulla