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 Mai kérdés: Becsülje meg, hány % van felszakadva egy makromolekulában azokból a kötésekből, ahol a kötési energia.7x10 - ev (kt=0.07 ev). Dr. Fidy Judit egyetemi tanár 015 Március 4 Sugárzások és biológiai rendszerek Elmaradt ábra a fehérje-dinamikáról Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások Látható fény (nem ionizáló) Röntgensugárzás (Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika) Tormaperoxidáz Foszfoglicerát kináz (Magsugárzások és nagy energiájú röntgen sugárzás orvosi alkalmazásai Orvosi fizika MSc)

2 Fény Röntgen sug. : elekromágneses hullámok Logaritmikus skála 10 9 m = 1nanometer emlékeztető fotonenergia=hf (ev) 1 ev = 1.6 x C x1v=1.6 x Joule 800nm 1.55 ev 400nm 3.1 ev 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, elnyelődés és emisszió hullám -leírás foton - kép A fény hullám paraméterei A fény biológiai hatásai X-rays Szempontok: Mi nyeli el? Milyen mélyre jut? Milyen szerveket ér fény? UV-C nm UV-B nm UV-A nm Fénnyel kiváltott reakciók, terápiás beavatkozások 6. ev 1.8 ev

4 A fény biológiai hatásai Mit ér közvetlenül fény? A fény biológiai hatásai Mit ér közvetlenül fény? Immune supression Káros hatások szemre bőrre Direkt fotokémiai hatások genetikus anyag: az elnyelt foton közvetlenül vezet kémiai átalakuláshoz - UV fotodimerizáció DNS, RNS-ben (timin, citozin, uracil) - fotohidratáció -DNS-fehérje keresztkötés gén-állomány sérülése sejtpusztulás A fény biológiai hatásai Mit ér közvetlenül fény? A fény biológiai hatásai Milyen molekulák nyelik el? 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! Relatív optikai denzitás Hemoglobin, mioglobin β-karotin Melanin Hullámhossz (nm) Endogén A-vitamin provitaminja-étellel jut be Melanocitákban: Tirozin oxidáció,polimerizáció barna, fekete, vörös színű granulumok UV fényvédők

5 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? A fény biológiai hatásai Behatolási mélység? NUV UVB UVC UVA λ[nm] Szem UVA λ[nm] 360 λ[nm] Bőr írha Fény reflexiója cornea iris lencse 47 cornea iris lencse 36 5 bőralja Pigmentek elnyelése- barnulás Szénhidrogének elnyelése Aromás aminosavak elnyelése Fényterápia? retina 1 1 retina 1 Nukleinsavak elnyelése

6 A fény biológiai hatásai fény mint terápiás eszköz A fény biológiai hatásai fény mint terápiás eszköz 1. Sejtpusztítás fotokémiai mechanizmusokkal Indirekt fotokémiai reakciók Elektronátadás hν D D* D* + A D + + A - Termék : reaktív szabadgyök Terápiás alkalmazások: rákos sejtek elpusztítása fényérzékenyítőkön keresztül - specifikus kötődés + száloptika+lézerfény szervezeten belül Energiaátadás hν D D* D* + A D + A* Termék: szingulett oxigén -bőrgyógyászati alkalmazások felületi kezelések. Lézerek sebészeti alkalmazása: fénykés elnyelés energia felmelegedés karbonizáció vágás IR lézerek: szöveti víztartalom elnyelése UV-lézerek: felületi szerves molekulák elnyelése Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés --- energia --- felmelegedés szem-alkotó szövetek specifikus elnyelése Ar lézer: 488 nm, 514 nm Kr-lézer: 548 nm, 647 nm Vérerek elzárása a szemfenéken fotokoagulációval (alacsonyabb T fehérjék denaturációja asszociátumok)

7 A LASER Nemcsak erősítő, hanem speciális fényforrás A fény terjedésének és anyagi kölcsönhatásainak értelmezéséhez mind a hullám- mind a fotonleírást használjuk A lézer-fény speciális tulajdonságai -monokromatikus Δf/f ~ ( 10-6 ) Kettős természet - hullám Huygens elv, diffrakció, interferencia -koherens : nagy a koherencia-hossz (10 3 m 10-3 m) -kis divergencia (néhány szögperc) jól fókuszálható -nagy intenzitás átlagos intenzitás impulzus-intenzitás -részecske: foton (energia-kvantum) fotoelektromos hatás, energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban partnere az elektron A fényelnyelés modellje Fény-foton koncepció Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata h f = h c λ A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum h f = h c λ A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum Elektron-pályaenergia E n szabad elektron-állapotok E n+1 E n Gerjesztés: fény-fotonenergia-felvétellel Elektron-pályaenergia E n szabad elektron-állapotok E n+ Gerjesztés: fotonenergia-felvétellel E n

8 Fényfoton elnyelése - spontán emissziója használt sémák, jelölések Optikai elektron-átmenetek FOTON ELEKTRON abszorpció és emisszió foton-képben pályanenergia E n Szabad elektron E n+ E n+1 E n pályaenergia E n hf hf 1 = E = E n+ 1 gerjesztés n+ E n E n relaxáció Pl. emisszió pályaenergiák Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu atom Optikai foton-energia (~-3 ev) elnyelése - emissziója a legkülső leglazábban kötött elektronokat érinti E Kα 8 kev (L->K átmenet) Röntgen-tartomány! szingulett alapállapot S 0 szingulett gerjesztett állapot S 1 Szingulett állapot (singlet): s i i = 0 Sematikus ábrázolás: csak a legfelső betöltött nívó elektronjai Fényfoton elnyelése emissziója Mérés: optikai spektroszkópia Milyen fény-fotonok gerjesztenek? Mérés: optikai abszorpciós spektrum A~ε(λ) λ -Elnyelési -Abszorpciós spektrum -Kibocsátási -Emissziós spektrum elnyelés v. kibocsátás valószínűsége SPEKTRUM J 0 J = J 0 e J μx fényintenzitás abszorpciós spektrofotométer Lambert-Beer törvény híg oldatokban az abszorbancia arányos a koncentrációval ( 1 mv - részecske- sugárzás) hf = h c = hc 1 λ λ [ ] 1 1 ev [ cm ] λ hullámszám energia pl. részecske-energia fotonenergia IR- VIS UV Optikai spektroszkópia A= D= Abszorbancia Optikai denzitás J lg 0 = lg e μ x = ε λ J Moláris extinkció függ a -fotonenergiától -anyagi minőségtől ( ) c l Küvetta vastagsága Koncentráció

9 Milyen fotonok gerjesztenek? ε (λ) Egy elektronátmenet valószínűségét a kiindulási és a végső elektron-vibrációs pálya kvantumszámai határozzák meg (hullám-kép): Hemoglobin abszorpciós spektruma kiválasztási szabályok S 0 ->S Mennyit változhatnak a kvantumszámok? Δn = bármennyi, Δl = +/-1, Δm = 0 vagy +/-1 Δs = 0 + vibrációs módusok csatolása Moláris extinkció kvantumkémiai értelmezése: Átmeneti dipólus-momentum S 0 ->S 1 Gerjesztési vagy spontán emissziós átmenetben az elektron spinállapota nem változhat Megengedett, és tiltott átmenetek nagy vagy kis valószínűségű átmenetek NEM TÁRGYALTUK 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 energiaátmenet során. Mekkora a dipólusmomentum keltésének valószínűsége? Az elektromos dipólusmomentum várható értéke az átmenet során? M állapotfüggvény a g r r r r r ψ ( i, R ) = θ (, R ) φ( R ) ψ x, Q = ψ a elektronok magok j i j j = θa x, Q φa Q M a g Átmeneti momentum ( ) ( ) ( ) ˆ a μ ψ g Born-Oppenheimer közelítés az elektronok mozgása független a magokétól: az állapotfüggvény szorzat-alakú NEM TÁRGYALTUK 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 NEM TÁRGYALTUK A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere B M a ( Q) M ( Q ) ( Q) dq M a φ 0 ag φ gn ag φ ( Q) φ gn ( Q)dQ gn a 0 = 0 Átmeneti valószínűség = Bg a/einstein (indukált abszorpció) g a = konst M A spin-tiltást egy faktorral veszik figyelembe Nem ideális helyzetben: f spin 10 8 S a, 0 g, n g, n a,0 = konst. M g a S g, n a,0 f elektron-állapotok szimmetriája e 10 1 a molekula torzulása gerjesztett állapotban f vibr Franck-Condon átfedési integrálok 3

10 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 ( ν ) ν Kloroplaszt spektruma S S 0 1 hf=fotonenergia (ev)=134 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 Fényabszorpció fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett állapotból azonos spinállapotú alapállapotba 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 B 1,N1J ' = B,1N J ' B 1, = B,1 + AN Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő N N Φ B em abs F g a =Φ = A Φ = ~ ~ F d F F g a = B a g Fluoreszcencia emisszió kvantumhatásfoka = 8π hf ~ 3 a g = K M ( ν ) ν ( ν = 1 ) λ 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

11 Gyakorlati ismeretek Molekula kölcsönhatásban a környezettel sávos spektrumok Gyakorlati ismeretek 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 Gyakorlati ismeretek Molekula kölcsönhatásban a környezettel emisszió a gerjesztésnél hosszabb hullámhosszakon A mért abszorpciós és emissziós sávok energiája eltér egymástól Stokes-féle eltolódás 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 abszorpció és az emisszió is a legalsó vibrációs szintről történik hf abs > hf λ < λ abs fluo fluo Maximum-helyek - 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 A gerjesztett elektron egyéb energialeadási reakciósebességei ( ) ν F ν d ν = 1 λ

12 NEM TÁRGYALTUK Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Ritka jelenség a természetben 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 spin-átfordulással átmehet a T 1 gerjesztett állapotba (energiacsökkenés), ahonnan az S 0 alapállapotba visszatérés tiltott T 1 : Triplett állapot T 1 : alacsonyabb energiájú, hosszú élettartamú metastabil gerjesztett állapot Foszforeszcencia: spontán fotonemisszió metastabil (T 1 ) állapotból i s i =1 NEM TÁRGYALTUK Jablonski diagram a vibronikus átmenetekkel.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia abszorpció S 1 Intersystem crossing, majd hőleadás T 1 foszforeszcencia emisszió 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

13 .1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia spektrumok összehasonlítása Foszforeszcencia: -Spontán fényemisszió metastabil átmenetből -Az emittáló nívó élettartama hosszú τ ~ ms, sec metastabil állapot természetesen lumineszkáló aminosav Triptofán - egy fehérjében Absz. Fluo Foszf -Az emittált fény fotonenergiája kisebb mint a fluoreszcenciáé -Hosszú élettartam -> lehetőség a környezeti energialeadásra emissziós intenzitás igen kicsi -> orvosi alkalmazása csekély Absz Fluo Foszforeszc. T=10K Vibrációs relaxáció λfoszf > λfluo > λabsz Stokes-féle eltolódás Köszönöm a figyelmet A következők olvasmányok. Nem lesznek tételszerűen számon kérve Irodalom: N.J.Turro: Modern Molecular Photochemistry, Benjamin/Cummings Publishing Co, London, 1978 J.B.Birks: Photophysics of Aromatic Molecules, Wiley, 1970, p P.W.Atkins: Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press,1994

14 Egy fontos fogalom: A fény hullám polarizáltsága Poláros fény 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

15 Poláros fény A polarizáció (hullám-tulajdonság) szerepe fény-abszorpcióban, fény-emisszióban Elliptikusan poláros fény Cirkuláris dikroizmus RNS A molekulák gerjesztésekor elektronállapotváltozás Dipólus vektorral jellemezhető átmeneti momentum töltéseltolódás RNS-bázisok Függ a molekula szerkezetétől (elektronpályák szimmetriájától) a szerkezethez orientált pl. triptofán aminosav: 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. A két cirkulárisan poláros komponens törésmutatóban és abszorbanciában is különbözik a kölcsönhatás után az eredő elliptikusan polárossá válik Polarizált gerjesztés Álló molekula Polarizált emisszió Az emisszió polarizációfokának (p) mérése p= I VV -I VH I VV +I VH V vertikális polarizáció H horizontális A fény forrásai, lézerek, biológiai hatások Ha a molekula a gerjesztett állapot ideje alatt elfordul az emisszió polarizációja csökken Beágyazó környezet (pl. plazmamembrán ) fluiditásának jellemzése

16 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 Izzószálas fényforrások Nem gazdaságos! A Nap emissziós spektruma A látás érzékenységi görbéje Wolfram szál spektruma (Sollux lámpákban) A Nap hőmérsékleti sugárzása A Föld légkörét elérő sugárzás A Föld felszínét elérő sugárzás Halogén gáz töltet a szál párolgása ellen M : teljes kisugárzott intenzitás az emissziós spektrum görbe alatti területe A Nap sugárázásának UV tartományát a légkör elnyelése szűri ki O 3 tartalom! Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások. 1. Lumineszcencián Metal vapour (e.g. Hg) lamps alapuló fényforrások Alapja: gázkisülési csövekben keltett elektrolumineszcencia - (az üvegbúra elnyeli az UV fényt, a kvarz nem) + - -Alacsony nyomású fémgőz-lámpák Pl. - Na-lámpa sárga fénye - germicidlámpa: alacsony nyomású higanygőz vonalas emissziós spektruma 54 nm-en elnyelődik baktériumok genetikai állományában sterilizáló hatás -Ívlámpák nagy nyomású Hg, Xe vagy Na-lámpák, ionizált plazma ívkisülése folytonos spektrum jellegzetes vonalakkal

17 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 Erythema lámpa : λ a nm közeli UV- tartományban, uviol üvegfal Hg-gőz lámpa Speciális fényforrások: lézerek indukált és spontán emisszió - Modern megoldás világításra: szilárd félvezető diódák LED- Light Emitting Diode + - p n Áram hatása: pl. lyukak diffundálnak az n-tipusú félvezető vegyértéksávjába rekombináció a vezetési elektronokkal fényemisszió 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

18 A lézerek működési elve indukált fényemisszió Fényerősítés indukált emisszióban --- populáció inverzió Átmeneti valószínűségek Einstein együtthatók: B ag abszorpció B ga indukált emisszió A ga spontán emisszió B a, g B g,a A g, a alap gerj ΔJ ' = K ( hf ) ΔJ ' = K ( hf ) Δt = Δx c ΔJ ' = K J ' = J ' e [ B1N B1N1] B[ N N ] J ' Δt [ N N ] μx 1 1 J ' Δx J ' Δt μ = K( N N ) 1 Populáció-inverzió fényerősítés Feltétel: hf = ΔE ga fotonsugárzás jelenléte B 1,N1J ' = B,1N J ' B 1, = B,1 + AN Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő állapotú rendszerben nem alakul ki LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 1961, Rubin-lézer HOGYAN VALÓSÍTHATÓ MEG? Feltételek A lézerek működési feltételei A lézer anyaga 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 A lézer anyag gerjesztése 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

19 A lézerek működési feltételei A lézerek működési feltételei 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