3. Дихроизм.

Поляризованный свет можно получить с помощью поляризационных светофильтров, которые называются полярои-ами. Как правило, поляроиды выполнены в виде целлулоидных пленок, содержащие определенным образом ориентированные мелкие одноосные кристаллики. При прохождении естественного света через поляроиды свет частично поглощается. Однако поглощение света происходит в зависимости от ориентации векторов напряженности электрического поля. Т.к в обыкновенном и необыкновенном лучах этот вектор ориен-тирован в разных плоскостях, то в поляроидах эти лучи поглощаются неодинаково: один поглощается почти полностью, другой частично. Это явление называют анизотропией поглощения или дихроизмом.

Система поляризатор – анализатор

Глаз не воспринимает поляризацию света. Для того, чтобы обнаружить поляризацию света необходим анализатор.

Если за призмой Николя поставить вторую призму Николя так, что главные плоскости их окажутся скрещен-ными, то вторая будет являться анализатором.

Рис. 7

Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны, то параллельны и плоскости поляризации поляризатора и анализатора (,- угол между оптическими осями), поляризованный луч проходит через анализатор не ослабляясь(рис. 8). Если анализатор поворачивать относительно поляризатора, то интенсивность света, прошедшего через анализатор будет убывать, а при угле(оси перпендикулярны) станет равной нулю.

Рис. 8

Интенсивность света, прошедшего через анализатор, связана с интенсивностью света, вышедшего из поляризатора, формулой

Эта формула называется законом Малюса.

Вращение плоскости поляризации.

Поляриметрия

Некоторые вещества (кристаллы и растворы) при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскость поляризации луча. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К оптически активным веществам относятся многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, гормоны, белки и аминокислоты. Вращательная способность оптически активных веществ определяется методами поляриметрии с помощью приборов, называемых поляриметрами. В них между поляризатором и анализатором, оптические оси которых изначально установили параллельно, помещают раствор оптически активного вещества. По затемнению поля зрения судим о том, что вещество повернуло плоскость колебаний на некоторый угол

,

где - удельная постоянная вращения раствора,концентрация вещества,- толщина слоя. Уголопределяют поворотом анализатора на такой же угол до достижения равномерной освещенности (как было в начале эксперимента).зависит от длины волны. Метод поляриметрии используется в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях.

Поляризационный микроскоп

Поляризационный микроскоп применяют для гистологических исследованиях. Если для исследования биологических объектов взять обычный оптический микроскоп, то они наблюдаются неясно, затемнено. Структура трудно различается. Поэтому микроскоп усовершенствуют, устанавливая в него две призмы Николя: одну перед конденсором (поляризатор), другую между объективом и окуляром (анализатор), предметный столик делают вращающимся. Сначала на предметный столик помещают изотропный препарат, поляризатор и анализатор устанавливают на затемнение. Затем при такой установке поляризатора и анализатора помещают анизотропный препарат. В нем происходит повторное двойное преломление света и свет не будет полностью гасится. Анизотропные структуры становятся светлыми на общем фоне темного поля.

Тепловое излучение.

Природа теплового излучения. Характеристики теплового излучения

Тепловое излучение, т.е. излучение нагретых тел представляет собой электромагнитное излучение. Оно обусловлено возбуждением атомов и молекул при соударениях в процессе теплового движения. Возбуждение происходит за счет того, что атомы и молекулы тела, имеющие большую энергию, сталкиваясь с атомами и молекулами с меньшей энергией, передают им часть своей энергии, энергия медленных молекул и атомов увеличивается. Но так как все системы при данных условиях стремятся занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбужденные частицы самопроизвольно переходят в состояние с прежней энергией, испуская электромагнитную волну. Тепловое излучение происходит при всех температурах, кроме абсолютного нуля , при котором движение прекращается.

Каждое тело одновременно испускает и поглощает падающее на него как от окружающих тел, так и от атомов и молекул, находящихся в глубине самого тела. Поэтому тепловое излучение является термодинамически равновесным: в единицу времени испускается столько же энергии, сколько и поглощается.

Характеристики теплового излучения:

1.Поток излучения (мощность излучения) – энергия, испускаемая со всей поверхности тела за 1 секунду

,

.

2. Энергетическая светимость – энергия, испускаемая с 1 м²поверхности тела за 1с

,

.

3. Спектральная плотность энергетической светимости

,

т.е. является функцией распределения энергии по спектру. Она выражает собой энергию, испускаемую с 1 м²поверхности тела за 1с в единичном интервале длин волн вблизи данной волны.

4. Монохроматический коэффициент поглощения . Он харак-теризуется отношением потока излучения, поглощенного данным телом в единичном интервале длин волн, к потоку излучения, падающего на ту же площадь тела

.

.

у зеркал, у тел с белой тканью,у таких тел как черная бумага, черные ткани, бархат.

Тело, у которого , называется абсолютно черным телом. В природе таких тел нет. Свойства абсолютно черного тела лучше всего воспроизводит модель абсолютно черного тела - тело с небольшим отверстием в замкнутой полости, стенки которой выполнены из поглощающего материала. При каждом отражении

света, вошедшего в полость, стенки полости поглощают часть энергии. Поэтому интенсивность луча света, выходящего из отверстия, во много раз меньше интенсивности входящего света

Рис. 9.

Тела, у которых называются серыми телами. Таких тел много: кожа человека, белая бумага, белый шелк, белая хлопчатобумажная ткань – все они по-разному поглощают свет, но у всех у них.

Закон Кирхгофа

Изучая условия термодинамически равновесного излучения, Кирхгоф установил, что, т.к. термодинамическое состояние излучателей не меняется, то каждое тело излучает и поглощает одинаковую энергию. Спектр излучения каждого тела должен совпадать со спектром поглощения электромагнитного излучения, иначе термодинамическое равновесие нарушалось бы. В состоянии термодинамического равновесия у тел, обменивающихся энергией только путем излучения и поглощения, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту поглощения является постоянной величиной, независящей от природы тела, и для всех тел выражается одной и той же функцией от длины волны и температуры:

Этой функцией является спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела .

Спектр излучения абсолютно черного тела

Абсолютно черное тело имеет сплошной спектр излучения, т.е в спектре представлен непрерывный ряд длин волн. С увеличением длины волны спектральная плотность энергетической

светимости увеличивается, достигает отчетливо выраженного максимума при некоторой длине волны, затем уменьшается. При этом возрастаниепроисходит быстрее, чем уменьшение.

Рис. 10

Законы излучения абсолютно черного тела

Эти законы были установлены экспериментально.

Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры

,

где - постоянная Стефана-Больцмана.

Для серых тел этот закон можно записать как

.

2. Закон смещения Вина: Длина волны в спектре излучения абсолютно черного тела, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения, обратно пропорциональна его абсолютной температуре

,

где .

Рис. 11

Формула Планка и её применение для уточнения

законов теплового излучения абсолютно черного тела

Экспериментально наблюдаемый спектр излучения абсолютно черного тела и экспериментально установленные законы теплового излучения требуют объяснения механизма теплового излучения.

Рэлей, исходя из представлений классической физики, считавшей, что излучение происходит непрерывно, рассмотрел зависимость спектральной плотности энергетической светимости (функции распределения энергии по спектру) от температуры и длины волны. Он получил формулу

,

т.е. зависит от кинетической энергии движения молекул.

Для длинных волн формула Рэлея дает хорошее совпадение с экспериментом, но при коротких длинах волн криваяуходит в бесконечность. По определению,и

Рис. 12

Бесконечно большие значения энергетической светимости лишены всякого физического смысла. Такие выводы назвали “ультрафиолетовой катастрофой” – классическая физика не в состоянии объяснить важные экспериментальные факты.

Это противоречие устранил М. Планк, выдвинув гипотезу, что энергия поглощается и испускается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Квант электромагнитного излучения оптического диапазона назвали фотоном. Его энергия

.

При таком предположении Планк получил другую формулу для спектральной плотности энергетической светимости

,

откуда видно, что зависит как от кинетической энергии движения молекул, так и от энергии испускаемого кванта, а именно от их соотношения. Противоречие снялось. Рассчитанные по этой формуле значенияпо всему спектру совпали с экспериментальными значениями. Если же рассчитать

,

то получим закон Стефана-Больцмана, а исследование функции на максимум по первой производной, т.е, приводит к закону смещения Вина.

Источники теплового излучения, применяемые для лечебных целей

Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце. Спектр излучения Солнца

практически совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела. В атмосфере Земли спектр Солнца меняется из-за поглощения излучения молекулами газов атмосферы. Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м²площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной

Рис. 13

постоянной. А вблизи поверхности Земли поток уменьшается и в разных местах её различен. Измеряют солнечную радиацию с помощью актинометров, которые состоят из нескольких термопар, соединенных последовательно.

Для лечебных целей используют искусственные источники излучения: лампы накаливания (Соллюкс), ИК-излучатели “Инфраруж”, ртутные лампы ПРК.

ИК- и УФ- излучение и их применение в медицине.

ИК - излучение лежит в диапазоне , т.е от красной границы видимого спектра до более высоких длин волн. 50% солнечного излучения относится в ИК- излучению. Оно не видимо для глаза. Обыкновенное стекло пропускает только около 3 % от всего падающего на него излучения и то в области, т.е вблизи видимого излучения, хорошо проходит через.

Для лечения используется короткая область излучения .

Первичное действие на ткани организма – тепловое. ИК- излучение проникает в ткани на глубину , прогревая их.

Особую роль играет ИК - излучение для диагностики заболеваний методом термографии и тепловидения, в основе которых лежат законы Стефана-Больцмана и Вина.

Источники ИК - излучения - лампы накаливания (Соллюкс), ИК-излучатели “Инфраруж”.

УФ - излучение лежит в диапазоне , т.е в области длин волн, короче длины волны фиолетового излучения видимой части излучения. Оно также невидимо для глаза.

Вредное действие УФ – излучения – вызывает ожог сетчатки глаза, а самое короткое излучение может обладать ионизирующим действием.

Первичное действие на ткани организма – фотохимические реакции. Проникает в ткани организма на глубину .

УФ – излучение делят на три зоны действия:

А – антирахитичная зона - . Под действием этого излучения в тканях организма проходят реакции, приводящие к получению витамина.

В – эритемная зона - . Под действием этого излучения проходят химические реакции, дающие загар.

С – бактерицидная зона - . Это излучение обладает большой энергией и убивает бактерии.

Источником УФ – излучения является Солнце, а в медицине – ртутные лампы ПРК, в которых излучение возникает при люминесценции паров ртути, находящихся в колбе из кварцевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолет.

Лекция 13

ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА

Волновые свойства частиц. Длина волны де Бройля

Мы уже говорили о том, что свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: в некоторых явлениях ведет себя как волна (интерференция, дифракция, поляризация), в других (фотоэффект, поглощение света и др.) – как частица. Частица света – частица электромагнитного излучения оптического диапазона, имеющая энергию

и импульс

,

откуда

.

Масса покоя фотона , т.е. фотон существует только тогда, когда он движется.

В 1924 году Луи де Бройль высказал предположение, что корпускулярно – волновой дуализм, возможно, проявляют и частицы вещества, в частности электроны. Это значит, что элементарную частицу можно охарактеризовать, сопоставляя частице некоторую волну, длина которой

.

Различие между формулами (1) и (2) существенно и заключается в том, что

у фотона нет инертной массы покоя, электроны же имеют массу покоя, а масса движущегося электрона

,

у фотонов скорость их движения в вакууме является постоянной величиной, тогда как у электронов скорость движения может быть различной.

Длина волны

называется длиной волны де Бройля. Волна де Бройля не представляет собой какой – либо самостоятельный колебательный процесс, а только характеризует волновые свойства частицы.

Когда де Бройль опубликовал эту гипотезу, никаких экпериментальных доказательств её правильности не было. Только в 1927 году американские ученые Дэвиссон и Джермер подтвердили эту гипотезу опытом. Изучая рассеяние электронов на кристаллической структуре никеля, они случайно обнаружили дифракцию электронов. В этом же году Томсон и Тарковский уже специально изучали дифракцию электронов на металлической фольге.

Рис. 1

Пучок электронов, ускоренный напряжением порядка нескольких десятков киловольт, проходил через тонкую металлическую фольгу и попадал на фотопластинку. Оказалось, что электрон, попадая на фотопластинку, оказывает на неё такое же действие, как и фотон. Затем взяли золотую фольгу, опыт повторили - эффект оказался таким же. Отдельный электрон, пройдя фольгу (или кристалл) не дает наблюдаемой картины. Только в том случае, если через фольгу проходит много электронов, получается дифракционная картина (подобно дифракционной картине от света при наложении вторичных волн).

Позже была осуществлена дифракция нейтронов и других микрочастиц, что доказывает правоту идеи де Бройля о том, что микрочастицы вещества обладают волновыми свойствами.

Волна де Бройля очень мала. Например, для электрона, масса которого , движущегося со скоростью, длина волны. А для частицы с массой, движущейся со скоростью порядка, длина волны около.

Волновые свойства частиц используются в медицине для дифракционного структурного анализа, в основу которого положена формула Вульфа-Брэггов: , которую мы уже обсуждали. Дифракционно-структурный анализ применяется для определения упорядоченного или разупорядоченного расположения атомов и молекул вещества и для определения параметров кристаллической решетки.

И, конечно, нам интересно понимать принцип действия электронного микроскопа, в основе работы которого лежат волновые свойства электронов.

Электронный микроскоп

Современные оптические микроскопы могут давать достаточно большое увеличение, примерно в раз. Но оно во многих случаях не может быть использовано, т.к. возможность различения мелких деталей объекта ограничивается дифракционными явлениями – при прохождении света через объект происходит дифракция света, и изображение теряет резкость контура. Поэтому при работе с биологическими объектами в оптическом микроскопе не видны вирусы, детали строения многих микробов и т.д.

Разрешение оптического микроскопа можно увеличить, уменьшив предел разрешения – наименьшее расстояние, при котором наблюдаются две соседние точки объекта

.

Конструктивно изменять апертуру микроскопа (- показатель преломления,- апертурный угол) не рационально, а вот на зависимостьотследует обратить внимание.

Очевидно, чем меньше , тем меньшеи тем более мелкие детали можно рассмотреть. В оптическом микроскопе информации о рассматриваемом предмете мы получаем с помощью видимого света, длина волны которого имеет порядок. Если в качестве носителя информации взять не свет, а электроны с длиной волны порядка, то

уменьшится враз , а разрешение увеличится враз! Такой микроскоп изобрели и назвали его электронным микроскопом. Принципиально его схема похожа на схему оптического микроскопа, в котором стеклянные линзы заменены на электронные линзы. В основе его лежит электронно-лучевая трубка.

Для фокусировки элект-ронов используются плоские электромагнитные катушки,

Рис. 2

называемые магнитными линзами. Линзы расположены концентрично оси электронно-лучевой трубки. Фокусировка осуществляется магнитным полем, линии напряженности которого расположены в направлении хода электронного луча.

Конденсорная линза направляет электронный луч на объект , на атомах и молекулах вещества которого происходит рассеяние электронов (это проявление волновых свойств). Интенсивность рассеяния зависит от структуры объекта. После электронной линзы образуется промежуточное изображение. С помощью проекционной линзы изображение ещё раз увеличивается и регистрируется либо на экране, либо на фотопластинке. Электроны, рассеянные каждой точкой объекта после конденсорной линзы, сфокусированные в точку на светящемся экране или фотопластинке, в совокупности дают изображение, хорошо передающее микроструктуру, через которую они прошли.

Объектами наблюдения являются молекулы, бактерии, тончайшие микроскопические срезы, жидкие среды в виде пленок. Объекты помещаются в кольцевую диафрагму, рамку или сетку с мельчайшими отверстиями.

Размеры микроскопа около 2-х метров, это стационарное устройство, в котором поддерживается высокий вакуум с помощью вакуумного насоса. Неудобством является нарушение вакуума при внесении в микроскоп объектов, кроме того, вакуум искажает биологические свойства объектов.

Люминесценция

Мы рассматривали с Вами тепловое излучение как явление, при котором излучается свет. Но свет может возникать и в других явлениях – газовый разряд, химические реакции и др. Все виды самосвечения, кроме сечения при нагревании, относят к люминесценции, или холодному свечению.

Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и не зависит от теплового излучения. Поэтому люминесценции дают такое определение: люминесценция представляет собой избыток над тепловым излучением при данной температуре. Люминесценция по длительности определяется так:длительность люминесценции значительно больше, чем период излучаемых световых волн, т. е..

Длительность в определении люминесценции подчеркивается для того, чтобы отделить люминесценцию от других видов излучения (отражение, рассеяние, вынужденное излучение и т.д.), которые длятся значительно меньшее время.

При тепловом излучении тело излучает в единицу времени столько же энергии, сколько и поглощает. Тепловое излучение является равновесным. Люминесценция же не является равновесным процессом, она прекращается только тогда, когда будет израсходована вся энергия того процесса, которым люминесценция вызвана.

Классификация люминесценции:

В зависимости от причины, вызвавшей свечение:

- фотолюминесценция – свечение, возникающее при поглощении оптического излучения от постороннего источника;

- катодолюминесценция – возникает при бомбардировки вещества электронами;

- хемилюминесценция – происходит при химических реакциях;

- биолюминесценция – наблюдается в живых организмах;

- электролюминесценция – вызывается газовым разрядом;

- рентгенолюминесценция – вызывается действием рентгеновского излучения.

Люминесцентные вещества называются люминофорами.

По длительности свечения люминесценцию можно разделить на:

- флюоресценцию – это свечение гасится практически сразу же при прекращении возбуждения;

- фосфоресценцию – свечение, которое продолжается несколько минут или часов даже после прекращения возбуждения.

Фотолюминесценция

Люминесценцию объясняет квантовая механика, но приближенно её можно объяснить с помощью теории Бора, постулаты которого Вы изучали в школе:

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия ; в стационарном состоянии атом не излучает.

2. При переходе атома из одного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях:

.

Во всех видах люминесценции к атомам и молекулам извне переходит энергия, в результате чего электроны в них переходят на более высокий энергетический уровень. Атом возбуждается. Через некоторое время атом спонтанно (самопроизвольно) переходит в исходное состояние, что сопровождается излучением света в видимой или ультрафиолетовой части спектра. В атомных системах при фотолюминесценции возможны следующие процессы:

1. Резонансная флюоресценция

Вобычном состоянии атом находится на уровне. Если на него воздействует фотон света энергией, то он переходит на уровеньс большей энергией. В наиболее простых случаях (одноатомные пары и газы) атом спонтанно возвращается в исходное состояние, излучая при этом фотон той же частоты. Время послесвечения, т.е. продолжительность этого свечения,с, значит это не рассеяние света.

2. В более общих случаях процесс происходит следующим образом:

поглотив квант света энергией, атом переходит в состояние с энергией, затем безизлучательно переходит на уровень с энергией, откудаатом спонтанно переходит на уровень, излучая квант света с энергией

3. В сложных органических молекулах переход из возбужденного

состоянияв основное состояниемало-вероятен. Зато квантовомеханически разрешен переход в промежуточное состояние. Переходпроисходит безизлучательно. Уровеньявляется метастабильным. Время жизни атомов на этом уровне значительно больше, чем на обычных уровнях( дос). За счет кинетической энергии окружающих молекул или за счет энергии нового поглощенного кванта света атом или молекула переходят с уровняна уровень с энергией. А уже с этого уровня происходит переход на основной уровеньс излучением кванта энергией. Этот процесс длится долго (минуты или даже часы) и называется фосфоресценцией.

Закон Стокса

Из рассмотренных схем переходов видно, что поглощая квант света энергией и испуская квант энергией, атомы дают более низкочастотное вторичное излучение:

,

т.е. - испускается более длинноволновое вторичное излучение. Это положение сформулировано в законе Стокса:спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию.

Имеются отклонения от закона Стокса. Молекула может находиться

на некотором возбужденном уровне. На не падает свет. Поглощая квант света энергией, молекула переходит в возбужденное состояние, а оттуда - в основное состояние, испуская излучение энергией. Тогда. Это вторичное излучение называется антистоксовым.

Количественные оценки люминесценции

Не все поглощенные фотоны вызывают вторичное свечение, часть их расходуется на другие внутримолекулярные процессы, например, на тепловой эффект. Поэтому вводят такие количественные оценки:

Квантовый выход

,

где - число испускаемых фотонов;- число поглощенных фотонов.

Энергетический выход

,

здесь - энергия вторичного люминесцентного излучения;- энергия поглощенного излучения.

Применение люминесценции в медицине

В медицинских и биологических исследованиях люминесценция играет существенную роль

По спектру люминесценции можно определить состав и природу вещества. Этот анализ называется люминесцентным анализом и исполняется на приборах, спектрофотометрами (источник – ртутная лампа, светофильтры, выделяющие только УФ – излучение, приемник – фотоэлемент).

По спектру люминесценции можно провести проверку качества продуктов, фармацевтических средств, растительных волокон, кожи и др., как и всякое органическое соединение, под действием УФ – излучения дают характерное люминесцентное излучение.

По характеру люминесцентного излучения можно судить о норме и паталогии многих тканей организма: ногтей, зубов, волос, хрусталика глаза, роговой оболочки. Это связано с тем, что они по-разному святятся под действием УФ- излучения.

Можно отделить злокачественную опухоль от доброкачественной, также имеющих различный характер свечения.

Люминесценция применяется для диагностики кожных заболеваний (грибок, лишаи) – они также дают характерное свечение.

В качестве оптических источников для люминесценции в медицине применяют ртутно-кварцевую лампу ( УФ - излучение в лампе дает смесь и нескольких капель ртути).

Индуцированное излучение.

Лазеры – оптические квантовые генераторы

Тепловое излучение и люминесценция осуществляются посредством спонтанных переходов атомов и молекул с более высоких энергетических уровней на низкие уровни.

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность вынужденных переходов, которые должны сопровождаться индуцированным излучением.

Под индуцированным излучением он понимал излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательным свойством этого излучения является то, что световая волна индуцированного излучения не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

С квантовой точки зрения это означает, что из высшего энергетического состояния атом переходит в низшее, но не самопроизвольно, как при тепловом излучении и люминесценции, а вынужденно, под действием внешней световой волны. При этом если на атом, находящийся в высшем энергетическом состоянии , подействовать одним фотоном энергией, то при переходе атома в основное состояниеполучается уже два фотона: падающий и индуцированный.

Если же из состоянияперевести атомы в энергетическое состояниеи собрать там большое количество атомов, а затем одновременно перевести их снова в состояние(создать переход), то можно получить мощное усиление падающего излучения.

Но в обычных условиях с увеличением энергии уровня заселенность, т.е. число атомов на этом уровне, уменьшается. Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить заселенность уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергиейнаходилось большее число атомов, чем в состояниис меньшей энергией. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную заселенность. Энергетически наиболее выгодной схемой создания инверсной заселенности является трехуровневая система, содержащая метастабильный уровень– уровень, на котором время жизни

атома составляет до .

Первый генератор оптического излучения– лазер был создан на розовом рубине,, в котором некоторые атомызамещены ионами(именно в таком виде хром находится в кристалле рубина).

При поглощении света ионы переходят из основного состоянияв

возбужденное состояние(переход). Обратный переходквантовомеханически запрещен, но безизлучательный переходразрешен. Он происходит из-за того, что возбужденные ионыотдают кристаллической решетке рубина часть своей кинетической энергии и переходят с уровняна метастабильный уровеньбез излучения. Как уже отмечалось, на этом уровне ионымогут находиться в течение. Создается инверсная заселенность.

Создание инверсной заселенности называется накачкой. В рубиновом лазере накачка осуществляется с помощью мощной импульсной ксеноновой лампы. При достаточной мощности накачки число ионов на метастабильном уровне становится больше, чем на невозбужденном уровне, т.е. происходит инверсия.

Сметастабильного уровня некоторые ионы хрома могут спонтанно перейти в состояние, излучая фотоны света. Под действием этих фотонов происходит каскад вынужденных переходов соседних атомов на уровень, сопровождающихся индуцированным излучением (усиление света).

Кристалл рубина исполняется в виде цилиндра, торцы которого строго параллельны друг другу. Торцы покрыты слоем серебра, причем один из торцов прозрачен. Такие торцы образуют зеркальный резонатор. Каскад фотонов, которые получаются при переходе , многократно отражаются от торцов и на своем пути вызывают вынужденное излучение все большего числа возбужденных ионов. Через прозрачный торец выходит мощный кратковременный импульс красного цвета. Рубиновый лазер является импульсным генератором света.

Существуют лазеры непрерывного действия. В лазерах этого типа рабочим веществом является газ.

Например, гелий – неоновый лазер. Рабочим телом в гелий– неоновом лазере является смесь благородных газови, помещенная в стеклянный баллон.

Накачка производится с помощью высокочастотного электрического поля, вызывающего в газе тлеющий разряд. Легкие атомы гелия под действием электрического поля возбуждаются и переходят на уровень . В процессе неупругого соударения атомыпередают энергию атомам, которые, возбуждаясь, накапливаются на двух метастабильных уровняхи, с которых они переходят на уровеньс излучением света двух длин волн:и. Мощность- го лазера невелика.

В медицине применяются также полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение происходит под действием электрического тока, газодинамические лазеры непрерывного действия.

Свойства лазерного излучения

Лазерный луч очень узок.

Лазерное излучение монохроматично, т.к. атомы излучают согласованно.

Излучение полностью поляризовано.

Излучение когерентно.

Плотность потока излучения (мощность) очень высокая .

Применение лазеров в медицине

Благодаря высокой плотности потока излучения лазерное излучение разрушает биологические ткани, что вместе с коагуляцией белка под действием лазерного излучения позволяет производить бескровные операции рассечения тканей. Лазерный луч применяют в хирургии в качестве бескровного ножа, который не нуждается в стерилизации.

Лазерное излучение применяют для безоперационного лечения сетчатки глаза (лазерный офтакоагулятор). При лечении глаукомы с помощью лазерного луча прокалывается отверстие размером для оттока внутриглазной жидкости.

В стоматологии лазерный луч применяют для разрушения дентина при лечении зубов.

С помощью лазеров с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют формировать объемное голографическое изображение полых органов (желудок и др.).

Голография и возможности её применения в медицине

Голография – метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции света.

Голография открыта Габором в 1948 году. Однако её практическое использование стало возможным только после появления лазеров, дающих строго монохроматическую когерентную волну.

Голографию можно в чем-то сравнить с фотографией. При фотографировании на фотоплёнке фиксируется интенсивность световых волн, отраженных фотографируемым предметом. Изображение в этом случае является совокупностью светлых и темных точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, поэтому изображение получается плоским.

Голография учитывает амплитуды и фазы рассеянных предметом волн, что фиксируется как интерференция волн. С этой целью на фотопластинку посылается две когерентные волны от лазера: I–опорная от источника света,II– сигнальная, рассеянная (отраженная) предметом. ВолнаIпадает на фотопластинку

под углом, а волнаII– под углом. Создается постоянная во времени и пространстве разность фаз между когерентными волнамиIиII. Поэтому на фотопластинке создается интерференционная картина (изображение предмета) в виде темных и светлых полос, которые образуют атомы, образовавшиеся под действием света. Это изображение фиксируется в специальном растворе и закрепляется.

Для восстановления изображения используется явление дифракции, для чего фотопластинку с интерференционным изображением предмета освещают лазерным лучом света. Свет встречает на своем пути препятствие, сравнимое с длиной волны света, - возникает явление дифракции.

В проходящем свете дифракция дает мнимое изображение, а в отраженном свете – действительное.

Лекция 15.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение широко применяется в медицине (рентгенография, рентгеноскопия, томография), поэтому нужно понимать его природу. Кроме того, знание природы рентгеновского излучения необходимо для обеспечения защиты от него, т.к. оно является ионизирующим излучением.

Свойства рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение – это электромагнитное

излучение с длиной волны . На шкале электромагнитных волн нижняя граница () пересекается с ультрафиолетовым излучением, а верхняя граница ()– сизлучением.В медицине используется узкий участок этого диапазона с.

2. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью – большая часть тел, непрозрачных для оптического излучения, является “прозрачными” для рентгеновского излучения.

3. Рентгеновское излучение невидимо для глаза. Оно обнаруживается по его действию на вещество: химические воздействие на фотоэмульсию фотопленки и рентгенолюми-несценция (светящийся экран).

4. Рентгеновское излучение обладает ионизирующим действием, т.е. кванты рентгеновского электромагнитного излучения, взаимодействуя со средой, вызывает ионизацию её атомов и молекул.

Механизмы генерации рентгеновского излучения

По способу возбуждения рентгеновское излучение разделяют на характеристическое и тормозное.

Характеристическое излучениевозникает при переходах между энергетическими уровнями внутренних оболочек (K,L,M,…,) атомов с высокими порядковыми номерами.

Если под действием сильного внешнего воздействия (бомбардировка атомов вещества электронами с высокой кинетической энергией, частицами,излучением) с внутренней оболочки атома будет выбит один из электронов, то с более высоких уровней атома на место выбитого перейдет другой электрон. При этом будет испускаться фотон с энергиейи частотойлежащей в диапазоне рентгеновского излучения.

Электрон может быть выбит с любого уровня. Следовательно, свободное место может образоваться на любом внутреннем уровне.

На этот уровень могут переходить электроны также с любого уровня, образуя серии переходов. Например, К-серия образуется при переходе электронов на уровень К с более высоких уровней,L-серия-на уровеньLи т.д.

Характеристическое излучение имеет линейчатый спектр на фоне

сплошного. Для разных атомов эти спектрв однотипны, т.к. внутренние оболочки атомов одинаковы и отличаются лишь энергией.

Частота линий спектра характеристи-ческого излучения определяется законом Мозли

,

где - постоянная для данной линии,- зарядовое число атома химического элемента, с которым сталкиваются электроны. Из закона Мозли следует, что при увеличениилиния сдвигается в сторону более коротких длин волн ().

Тормозное излучение возникает при резком торможении электронов электрическим полем атомов вещества, через которое они пролетают.

Движущиеся электроны можно рассматривать как электрический ток. Этот ток образует вокруг себя магнитное поле. Электрическое поле, создаваемое электронами атома вещества, тормозит движущиеся к атому электроныю Это замедление движения можно рассматривать как переменный электрический ток. Магнитное поле, образующееся вокруг такого тока, является переменным. Согласно теории Максвелла вокруг переменного магнитного поля возникает вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, возбуждает в смежных точках пространства переменное магнитное поле и т.д. Образуется электромагнитная волна, т.е. излучается фотон, рентгеновского диапазона. Частота этого фотона зависит от начальной кинетической энергии летящих электронов и от интенсивности торможения. Т.к. эти условия для летящих электронов различны, то излучаются фотоны разных длин волн, и спектр тормозного излучения сплошной. Коротковолновое излучение,- коротковолновая граница, круто уменьшается и называется жестким излучением. Длинноволновое рентгеновское излучение плавно уменьшается с увеличением длины волны и называется мягким излучением.- длина волны, приходящаяся на максимум излучения.

Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка является устройством для возбуждения рентгеновского излучения.

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумный баллон с несколькими электро-дами, соединенными с источ-ником высокого напряжения.

Катод представляет собой раскаленную нить и играет роль источника электронов, которые вылетают из него в результате термоэлектронной эмиссии. Управляющий электродфокусирует пучок электронов , направляя его на анод. Именно на аноде возникает рентгеновское излучение. Анод изготавливается из хорошо теплопроводящих металлов. Поверхность анода покрывается тугоплавкими тяжелыми металлами. Поверхность анода скошена под углом для того, чтобы направлять рентгеновское излучение в нужном направлении. Для того, чтобы возникло рентгеновское излучение, электроны должны обладать высокой кинетической энергией. Поэтому для ускорения электронов применяется высокое напряжение, создаваемое между анодом и катодом. Толькокинетической энергии электронов переходит в энергию излучения, так что почти вся энергия электронов расходуется на выделение тепла. Поэтому анод сильно нагревается, и поэтому в рентгеновской трубке создается охлаждение водой или маслом. Кроме того, анод вращается, чтобы электроны не выжигали какую-либо одну точку на поверхности анода.

При напряжениях в основном излучается тормозное излучение. Приизлучается характеристическое излучение.

Когда вся энергия электрона расходуется на создание одного фотона, то длина волны этого фотона будет равна . При этом энергия фотона равна

.

Кинетическая энергия электрона равна работе электри-ческого поля, созданного между катодом и анодом

где масса, заряд и скорость электрона, соответственно,напряжение между анодом и катодом.

Следовательно,

откуда

Зависимость энергии рентгеновского излучения

от рабочих параметров рентгеновской трубки.

Экспериментально, показано, что средняя энергия рент-геновского излучения, переносимого без потерь через единицу площади, т.е. поток энергии , зависит от рабочих параметров рентгеновской трубки.

От ускоряющего напряжения, т.е. от энергии электронов.

Величина потока прямо пропорцио-

нальна квадрату ускоряющего напря-жения . Кроме того, при увеличенииисдвигаются в сторону коротких волн, т.е. рентгеновское излучение становится более жестким

От силы тока, т.е. от числа электронов, испускаемых катодом.

Чем больше сила тока в цепи, тем больше нагревается катод, тем больше электронов вылетает с него, тем чаще происходят столкновения электронов с анодом. Следовательно, при увеличении силы тока в цепи наблюдается прямо пропорциональная зависимость потока излучения от силы тока:.

Сдвига спектра не наблюдается, т.е. ипри изменении силы тока не изменяются.

От природы, т.е. от порядкового номера вещества поверхности анода. Количество электронов в разных атомах различно, следовательно, различным по напряженности будет и электрическое поле этих атомов, значит, и скорость торможения будет различной.

С учетом влияния всех рассмотренных параметров поток рентгеновского излучения, получаемого в рентгеновской трубке, определяется по формуле

Действие рентгеновского излучения на вещество

При попадании на тело рентгеновское излучение незначительно отражается, но большая часть его проходит вглубь. Часть прошедшего излучения поглощается и рассеивается в веществе, часть проходит сквозь тело. Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения происходит из-за того, что оно взаимодействует с атомами и молекулами вещества и передает им свою энергию. При этом возможны следующие первичные процессы.

1) Когерентное рассеяние. Пусть на тело падает фотон рентгеновского излучения энергией,

аработа выхода электрона атомов этого тела есть. Пусть. Тогда при столкновении этого фотона с электроном атома, прочно связанного с ядром, фотон изменит траекторию своего движения, но энергию при этом практически не изменит. Это явление называется когерентным рассеянием. Биологического действия на ткани организма когерентное рассеяние практически не оказывает.

2) Фотоэффект. Если, т.е. если энергия фотона

достаточна для отрыва электрона, то

фотон отдает ему всю энергию, прекращая своё существование. В результате электрон вылетает из атома, атом ионизируется (фотоионизация).

Вылетевший электрон называется электроном отдачи. Это явление называется фотоэффектом и описывается уравнением Эйнштейна

Т.о. при фотоэффекте происходит ионизация атомов вещества, поглотившего рентгеновского излучения.

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).

Это явление наблюдается, если на атом падает фотон, энергия которого значи-тельно больше энергии ионизации (работы выхода). Фотон может столкнуться с электроном атома, находящемся на внешнем уровне, где электрон менее связан с ядром, чем на внутренних уровнях. При этом электрон (электрон отдачи) отрывается от атома, а фотон, энергия которого уменьшится, изменяет свое направление. Энергия фотона может оказаться такой большой, что фотон выбьет электрон с внутреннего уровня.

Мы рассмотрели первичные процессы, но все эти три

процесса могут вызывать вторичные,

третичные и т.д. процессы. Например, пусть произошел не внешний, а внутренний фотоэффект, т.е.фотон

рентгеновского излучения выбил электрон из внутренней оболочки. На этой оболочке образуется вакансия, на которую перейдет электрон с внешней оболочки. При таком переходе излучается фотон рентгеновского диапазона! Электроны отдачи обладают высокой кинетической энергией и могут взаимодействовать с соседними атомами, вызывая какие-либо другие явления, рассмотренные нами. И, прежде чем энергия фотона перейдет в энергии. Теплового движения атома, т.е. прежде чем фотон полностью отдаст свою энергию, может произойти несколько десятков процессов.

При прохождении рентгеновского излучения через вещество оно ослабляется в соответствии с законом Бугера

,

где - глубина проникновения в вещество;Коэффициент ослабления. В общем случае коэффициент ослабления учитывает все три рассмотренных процесса

.

Применение рентгеновского излучения в медицине

В лечебных целяхрентгеновское излучение применяется в онкологии, т.к. наиболее чувствительны к рентгеновскому излучению быстроразмножающиеся клетки, т.е. злокачественные опухоли.

Наиболее распространенным применением рентгеновского излучения является применение для диагностических целей – просвечивание рентгеновскими лучами с диагностической целью.

Для рентгенодиагностики используют фотоны с энергией , т.е. очень узкий диапазон длин волн. Поглощение рентгеновского излучения в этой области описывается как

,

где связан в основном с фотоэффектом.коэффи-циент пропорциональности.

Мягкие ткани организма состоят из достаточно легких ато-мов . А минеральное вещество костей содержит элементы со значительными порядковыми номерами, поглощающая способность которых значительна. Поэтому отно-сительно мягкое излучение кость поглощает примерно в 10 раз сильнее, чем мягкие ткани, а жесткое излучение кость поглощает только в 23 раза сильнее.

Если на пути рентгеновского излучения поместить какое-либо тело, а за ним экран, то тело, поглощая излучение, образует на экране тень. Наблюдая образующееся теневое изображение тела, можно судить о форме органа. А по контрастности тени и об относительной плотности тела. Т.к. разные органы и ткани поглощают рентгеновское излучение по-разному, то и картину на экране мы будем иметь для каждого органа своеобразную и по ней судить о нормальности и патологическом состоянии органа.

В рентгенодиагностике используют три метода: рентгено-скопию (просвечивание), рентгенография (фотографирование) и рентгеновскую томографию.

При рентгеноскопии теневое изображение получается на экране: наиболее плотные, сильно поглощающие органы (сердце, наполненные кровью сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие органы – светлыми.

При рентгенографии теневое изображение получается на снимке, на котором мало поглощающие органы получаются темными, а сильно поглощающие – светлыми. Иэображение получается четким. Можно сделать рентгенодиагностические исследования органов, которые не даюттеневого изображения.Для этого их наполняют контрастной массой, хорошо поглощающей рентгеновское излучение.

Рентгеновская томографияявляется достаточно новым методом и позволяет послойно исследовать орган. Она заключается в том, что рентгеновская трубка и фотопленка перемещаются в противофазах. При исследовании какого-либо органа в нем выбирается одна какая-то точка (точка качания) Эту точку фотографируют с разных позиций. И тогда те органы, которые затемняли изучаемую точку при рентгенографии, становятся общим фоном, на котором выделяется исследуемая точка. При исследовании какого-либо органа, изменяя положение точки качания, т.е. последовательно исследуя одну точку органа за другой, послойно, можно получить послойное изображение исследуемого органа. Такая последовательная запись органа называется томографией.

Можно вместо фотопленки использовать экран из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения. Детекторы преобразуют рентгеновское излучение в электрический сигнал, который можно подать на компьютер или записать на бумаге самописца. За эту разработку авторы Хаунсфилд и Мак-Корман получили Нобелевскую премию.

Лекция 16

Ионизирующее излучение

Ионизирующим излучением называются потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию её атомов и молекул.

К ионизирующему излучению относятся жесткое рентгеновское излучение, излечение, потокичастиц, электронов, протонов, позитронов, нейтронов.

Человечество достигло высокого уровня цивилизации, в результате чего оно задействовало в круг своей хозяйственной деятельности ядерную энергию в промышленности, на атомных станциях (ядерные реакторы), осуществляет полеты человека в космос, где радиационное излучение значительно выше фонового на Земле, создало ядерное оружие. Именно эта деятельность человека привела к возникновению опасности для организмов, связанную с поражающим действием ионизирующего излучения. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов защиты от поражающего действия радиоактивных излучений, что, в свою очередь, требует от биологов и врачей понимания некоторых вопросов ядерной физики и механизма действия излучений на организмы.

Кроме того, ионизирующее излучение применяется в терапии, т.к. имеет высокое действие на быстроразмножающиеся клетки, а также в диагностике – метод меченых атомов.

Строение атомного ядра

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которым дано общее название – нуклоны.

Заряды нуклонов: Заряд протона положительный, равный по величине заряду электрона . Нейтрон электрически нейтрален, его заряд.

Массы нуклонов равны

Число протонов в ядре равно числу электронов в данном атоме, т.е. число протонов равно порядковому номеру элемента периодической таблицы Менделеева.

Общее число нуклонов, т.е. общее число протонов и нейтронов, определяется массовым числом . Массовое числоравно атомному весу элемента, округленному до целого числа.

Очевидно, число нейтронов в ядре определяется как

.

Например, в ядре урана с массовым числом и порядковым номеромчисло нейтронов.

Ядро любого элемента обозначается химическим символом с указанием массового числа и числа протонов . Например,

Ядерные частицы обозначаются как

Ядра, имеющие одинаковые зарядовые числа , но разные атомные массы называются изотопами. Например,

Размер ядра: диаметр т.е. враз меньше диаметра атома

Частицы, составляющие ядро, связаны между собой значительными силами взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Основные свойства ядерных сил:

ядерные силы - короткодействующие силы, прояв-ляющиеся только на расстояниях порядка размеров самого ядра;

ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям: ;

ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их зарядов, т.е. как между двумя нейтронами, двумя протонами, так и между нейтронами и протонами;

ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. частицы ядра взаимодействуют только с определенным числом нуклонов.

Имеются разные модели строения ядра.Мы рассмотрим

только наиболее распространённые.

Капельная модель– в этой модели ядро рассматривают как каплю жидкости, т.к. и в ядре и а капле жидкости частицы взаимодействуют между собой на малых расстояниях; и в ядре и в капле жидкости поверхностные частицы испытывают одностороннее притяжение со стороны внутренних, глубинных, частиц; и в ядре и в капле жидкости плотность вещества одинакова.

Оболочечная модель. Согласно этой модели протоны и нейтроны ядра, также как и электроны атома, располагаются на определённых энергетических уровнях. Наиболее устойчиво то ядро, энергетические уровни которого полностью заполнены. Т.о. ядро– это квантово-механическая система с дискретными энергетическими уровнями– основной уровень и возбужденные.

Энергия связи

С понятием ядерных сил связано понятие потенциальной энергии нуклонов. Потенциальная энергия больше энергиитех же нуклонов, связанных в ядре. Разность между этими энергиями есть энергия связи

Энергия связи – это та энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов, или, согласно закону сохранения энергии, это энергия, которую необходимо затратить, чтобы превратить ядро в отдельные нуклоны.

Рассчитывается энергия связи по формуле Эйнштейна

.

Общая масса свободных нуклонов больше массы этих же нуклонов, связанных в ядреРазность между этими массами определяет дефект массы

Следовательно,

При образовании ядра из нуклонов или при распаде ядра выделяются кванты– электромагнитное излучение с длиной волны короче длины волны жесткого рентгеновского излучения.

.

Радиоактивность. Виды излучений

Радиоактивность – свойства ядер некоторых элементов самопроизвольно распадаться с образованием новых ядер и с испусканием излучения, которое называют радиоактивным излучением.

Само явление самопроизвольного распада ядер называется радиоактивным распадом.

Радиоактивные вещества сначала были обнаружены в природе Беккерелем, большой вклад в изучение закономерностей радиоактивного распада внесли М.Складовская- Кюри, П.Кюри, Резерфорд. Радиоактивный распад природных элементов назвали естественной радиоактивностью. Затем радиоактивные вещества научились получать искусственно, радиоактивность искусственных элементов называют искусственной радиоактивностью. Законы радиоактивного распада одинаковы и для естественной и для искусственной радиоактивности, так что деление радиоактивности на искусственную и естественную условно.

Радиоактивное излучение может состоять из трех видов излучений, различных по природе и свойствам: излечений. Все виды излучений невидимы для глаза и обнаруживаются только по их действию на вещество: фотохимическое действие, люминесценция, ионизация и др.

Рассмотрим процессы распада, приводящие к образованию каждого вида излучения в отдельности и особенность этих излучений.

излучение – потокчастиц (ядер гелия) с высокой кинетической энергией.

частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, обладает зарядовым числоми массовым числом.

Получается излучение прираспаде, характерном для ядер тяжелых элементов и протекающего по схеме

,

где материнское ядро,дочернее ядро.

Например,

Если дочернее ядро радиоактивно, то возникает целая цепочка превращений, которая оборвется только тогда, когда возникает стабильное ядро. В рассмотренном примере

Ядра, образовавшиеся при распаде, могут находиться как в основном, так и в возбужденном состояниях. Поэтому при переходе дочернего ядра из возбужденного состояния в основное излучаются электромагнитные волны в видеквантов, т.ераспад сопровождаетсяизлучением.

излучение – поток частиц с высокой кине-тической энергией, которые представляют собой поток электронов (у большинства радиоактивных элементов) или позитроны (у некоторых искусственно получаемых элементов).

излучение возникает прираспаде, который происходит у ядер с неблагополучным соотношением число нейтронов и протонов. Существует три видараспада.

Электронный или распад происходит у ядер, в котором нейтронов больше, чем протонов. Один из нейтронов распадается с образованием протона, электрона и антинейтрино

где электрон,антинейтрино.

Протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино испускаются.

распад описывается схемой

Например,

Позитронный или распад происходит у ядер, в которых протонов больше, чем нейтронов. В этом случае в ядре протон распадается с образованием нейтрона, позитрона и нейтрино

здесь позитрон инейтрино. Нейтрон остается в ядре, а позитрон и нейтрон испускаются. Схемараспада представляется как

Например,

Электронный или захват. При этом виде радиоактивности один из внутренних электронов атома захватывается своим собственным ядром, внутри ядра происходит реакция

Схема захвата

Например,

В зависимости от того, с какой орбиты ядро захватывает электрон, захват называютзахватом,захватом и т.д. Очевидно, электронный захват сопровождается излучением жесткого рентгеновского излучения.

Кроме того, ядра, находящиеся после любого распада в возбужденном состоянии, будут переходить в основное состояние, излучаякванты.

Радиоактивностью сопровождаются также многие ядерные реакции деления ядер, образование ядер и др.

Основной закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад – статистическое явление. Нельзя заранее предсказать, когда распадется нестабильное ядро, можно только для большой совокупности ядер вывести некоторый статистический закон, который выражает зависимость числа нераспавшихся ядер от времени. Сделаем это.

Пусть за время распадаетсяядер. Это число ядер прямо пропорционально общему числу радиоактивных ядери времени

,

где постоянная распада (пропорциональна вероятности распада ядра и для каждого вида ядер является индивидуальной величиной). “-“ означает убыль числа нераспавшихся ядер со временем.

Решим это дифференциальное уравнение, отметив, что при причислу нераспавшихся в данный момент ядер.

откуда

Это уравнение является основным законом радиоактивного распада и показывает, что число нераспавшихся ядер убывает

со временем по экспоненциальному закону.

Число распавшихся ядер определяется как

.

Скорость распада чаще всего характеризуется величиной периода полураспада . Это время, в течение которого распадается половина начального числа ядер (рис.1). Период полураспада является относительной скоростью распада. Период полураспадасвязан с постоянной распада.Связь устанавливается достаточно просто.Причисло нераспавшихся ядер. Следовательно,

закон радиоактивного разряда для этого времени запишется как

откуда илиследовательно,

Период полураспада элементов и их изотопов различается в широких пределах от миллионов лет до долей секунды.

При практическом использовании источников радиоактивного излучения основное значение имеет общее число распадов, происходящих в источнике в единицу времени. Эта величина называется активностью данного источника. Она характеризует абсолютную скорость

Со временем активность данного элемента уменьшается в соответствии с основным законом распада

. Внесистемная единица измерения активности-соответствует

Аппаратура, регистрирующая ионизирующее излучение – камера Вильсона, пузырьковая камера, счетчик Гейгера, фотопластинки Вы изучите на практических занятиях.

Радиоактивность в природе – естественная фоновая радиация

Радиоактивные элементы значительно распространены в природе, хотя и в ничтожно малых количествах.

В земной коре: в урановых рудах содержаться долгоживущие элементы (уран, радий, торий и др.). У урана у торияСодержание их в рудах не превышает десятитысячных долей процента. В Кузбасских углях имеются изотопы уранового ряда.

В почве имеются радиоактивные изотопы (в количестве до небольших долей процента),которые образуются в атмосфере и из неё поступают в почву. В меньших количествах в

почве имеются изотопы рубидия и др.

В природных водах имеются радиоактивные элементы, вымываемые из почвы и горных пород, а в некоторых минеральных источниках имеются и растворенные изотопы радон и тория.

В атмосфере имеются изотопы а в некоторых районах и радон.

В процессе эволюции животные и растения приспособились к этому радиоактивному фону, который обусловливает их нормальную жизнедеятельность.

Лекция 17.

Дозиметрия ионизирующего излучения

Проникающая и ионизирующая способности

радиоактивного излучения

Образующиеся в результате радиоактивного распада частицы икванты, обладающие высокой кинетической энергией, достаточно легко проникают в вещество. При этом они взаимодействуют с электронами атомов вещества, выбивают их из орбит и таким образом ионизируют вещество. Кроме того, радиоактивное излучение может возбудить атом, который возвращаясь в стационарное состояние, излучает видимый свет, а также может активировать молекулы, в результате чего возможны фотохимические реакцию

По мере продвижения радиоактивного излучения в глубь вещества его энергия уменьшается в результате рассмотренных процессов, скорость их снижается до тепловых скоростей и ионизирующее действие прекращается. частица присоединяет два электрона и превращается в атом гелия.частица меняет своё состояние в зависимости от заряда: электрон остается в свободном состоянии, а позитрон соединяется со свободным электроном и превращается в двакванта.квант поглощаются электроном при последнем соударении.

Наибольшую глубину проникновения частиц в вещество называют пробегом. Проникающую способность частиц оценивают её пробегом в воздухе.

Ионизирующая способность частиц радиоактивного излучения пропорциональна их кинетической энергии и зависит от квадрата их заряда , т.к. взаимодействие частиц с электронами атома осуществляется посредством электрического поля при сближении на достаточно малые расстояния.

Ионизирующая способность частиц радиоактивного излучения определяется числом ионов, образуемых частицей на протяжении пути пробега. Очевидно, чем больше ионизирующая способность частицы, тем меньше глубина проникновения её в вещество.

частица, имеющая двойной элементарный заряд и высокую кинетическую энергию, производит интенсивную иони-

зацию и проникает в вещество относительно неглубоко. Поскольку всечастицы данного радиоактивного излучения имеют близкую энергию, они проникают в вещество примерно на одинаковую глубину. На протяжении пути пробега интенсивность ионизации неравномерна: сначала она возрастает, возникает очень много пар ионов (до нескольких десятков тысяч пар), скоростьчастиц падает, время взаимодействия их с электронами вещества увеличивается, в конце пробега энергиячастиц резко падает. В воздухечастица имеет пробег от-х досм.В ткани организма она проникает только на глубинусм.

частицы обладают меньшей кинетической энергией, чемчастицы, и имеют один элементарный заряд. Следовательно, они производят меньшую ионизацию, чемчастицы, и проникают в вещество на большую глубину. Их пробег в воздухе может иметь порядок от десятков сантиметров до десятков метров. В ткани организмачастицы проникают на глубину до нескольких сантиметров.

фотоны отличаются высокой проникающей способ-ностью, т.к. не имеют заряда. В воздухе их пробег составляет десятки и сотни метров. В ткани организмаизлучение проникает на большую глубину и даже проходит сквозь тело человека насквозь. Первичная ионизацияфотонов невелика, полный ионизационный эффект связан со вторичной ионизацией.

Биофизические основы действия ионизирующего излучения

на организм

Сложная биологическая реакция организма на действие различных видов излучения (частиц иквантов, жесткого рентгеновского излучения, а также протонов и нейтронов) имеет много общего и называется лучевой болезнью.

Начальной стадией в развитии лучевой болезни является первичное действие всех видов излучения на ткани организма –ионизация атомов и молекул, из которых ткани состоят.

Обладая высокой энергией, и рентгеновское излучения выбивают электроны не только с внешних оболочек атома, но и с внутренних, глубинных оболочек. Это вызывает характеристическое излучение, которое поглощается внутри вещества. Выбитые электроны, электроны отдачи, также обладают высокой энергией и также ионизируют атомы и молекулы или возбуждают их. При торможениичастиц и вторичных электронов может возникать и тормозное рентгеновское излучение, которое также может поглощаться в самом веществе.

Отдельные частицы могут взаимодействовать с ядрами атомов тканей организма. Если энергия частиц высока, то ядра атомов могут возбуждаться, могут наблюдаться ядерный фотоэффект (выбрасывание из ядра протонов и нейтронов) и ядерные реакции.

Как мы уже отметили, ионизирующее действие частицнаблюдается не на поверхности ткани, а в глубине, где их ионизационный эффект возрастает по мере их торможения.

Действие квантов высокой энергии на ткани организма связано в основном с фотоэффектом и эффектом Комптона.

Протоны и нейтроны могут образовываться при ядерных реакциях.

Действие протонов практически такое же, как у частиц, т.к. их скорости и энергии примерно такие же, как и участиц.

Энергия нейтронов меньше энергии протонов и частиц, но у них нет заряда. Поэтому проникающая способность их велика, а ионизирующий эффект от действия нейтронов связан в основном со вторичными процессами: упругое рассеяние, захват нейтрона ядром (радиационный захват). При упругом рассеянии нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, которое, увеличив свою энергию, может вызвать ионизацию атомов тканей организма. Ткани организма особенно подвержены опасности от действия нейтронов, т.к. они содержат много легких атомов водорода, которые легко ионизируются.

Если нейтрон захватывается ядром, то происходит ядерная реакция, преимущественно превращение ядра в его радиоактивный изотоп с последующим распадом и излучениемфотона. При этом в тканях организма в результате реакции часто образуются радиоактивные изотопы

дейтерий ;

фосфор ;

натрий

углерод

Действие ионизирующих излучений может вызвать также нарушение структуры молекул вещества. При этом возможны взаимодействия молекул воды с органическими соединениями, в частности реакция радиолиза. При радиолизе воды молекула воды сначала ионизируется

Электрон захватывается другой молекулой воды

.

Ионизованные молекулы распадаются

Ионы иимеют ненасыщенные валентности, поэтому химически очень активны и вступают в реакции, продукты которых опасны для организма. Напримеp,

.

Возникающие в результате радиолиза воды жимически активные радикалы ивзаимодействуют с остальными молекулами биосистемы, что приводит к разрушению мембран, клеток и функций всего организма.

Ионизирующее излучение действует на сам биологический объект, а также на последующие поколения через наследственный аппарат клеток.

Для биологического действия ионизирующего излучения характерен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по разному реагируют на одни и те же дозы излучения. Наиболее чувствительны к радиоактивному излучению ядра клеток. Особенно уязвимы растущие клетки, т.е. детские организмы, включая и период утробного развития в чреве матери. Более всего подвержены влиянию радиоактивного излучения клетки, которые периодически делятся: слизистые оболочки желудка и кишечника, кроветворная, ткань, половые клетки и т.д.

Характеристики ионизирующего излучения

Действие на организм оказывает только та часть излучения, которая, взаимодействуя с атомами и молекулами вещества организма, поглощается организмом. Поэтому основной характеристикой излучения, учитывающей его действие на организм , является поглощенная доза излучения

.

Это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества за время облучения.

(по ГОСТу), что означает, чтовещества передана энергия в

Внесистемная единица, т.е.вещества передана энергия в

Поглощенная доза зависит от природы и свойств вещества, от свойств (энергии) излучения, времени облучения. Непосредственно приборами определить поглощенную дозу облучения в тканях организма непросто. Поэтому для оценки поглощённого излучения используют оценку радиационной обстановки в воздухе, т.е. оценку того излучения, которое воздействует на объект, и вводят понятие экспозиционной дозы. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в воздухе

,

где заряд ионов каждого знака, образовавшийся при ионизации рентгеновским иизлучениями массысухого воздуха. При этом учитывается полная и первичная, и вторичная, и т.д. ионизация.

Единица экспозиционной дозы это доза рентгеновского иизлучений, при которой в результате полной ионизациисухого воздуха образуются ионы, несущие заряд вэлектричества каждого знака.

Применяется также внесистемная единица экспозиционной дозы -это доза рентгеновского иизлучений, при которой в результате полной ионизациичистого сухого воздуха прии нормальном давлении образуется(два миллиона) пар ионов.

Поглощенная доза соответствует примерноэкспозиционной дозы для воды и мягких тканей, для костной тканисоответствует

Различные виды излучения даже при одной и той же поглощенной дозе оказывают различное биологическое действие. Поэтому в дозиметрии принять сравнивать биологические эффекты различных видов излучений с соответствующими эффектами рентгеновского и излучений, для чего вводят биологическую (эквивалентную) дозу излучения

.

Здесь относительная биологическая эффективность (коэффициент качества).

-биологический эквивалент Рентгена–это энергия любого вида излучения, которое по своему биологическому действию эквивалентно действиюрентгеновского илиизлучений.

Значения коэффициента для некоторых видов излучений:

Виды излучений
Рентгеновское, ,	1
Медленные нейтроны	5
Быстрые нейтроны, протоны	10
частицы	20

Действие излучения на ткани организма зависит не только от общей дозы излучения, но и от скорости нарастания дозы, т.е. от мощности дозы

.

Единица измерения мощности поглощенной дозы Внесистемная единица

Единица измерения мощности экспозиционной дозы .

Внесистемная единица

Естественные радиоактивные источники (космические лучи, радиоактивность недр, воды, и т.д.) создают фон . В течение жизни одного человеказа 70 лет общая; за 1 годЭто безопасно.

При облучении всего организма предельно допустимой биологической дозой считается в течение года. Минимальная летальная доза.

Дозиметрическая аппаратура

Приборы для измерения экспозиционной дозы (или мощ-ности дозы) рентгеновского или излучения называют дозиметрами или рентгенометрами. Основными частями их являются ионизационная камера и измерительное устройство.

Ионизационная камера представляет собой закрытый металлический или пластмассовый сосуд, заполненный сухим чистым воздухом (или газом –аргон, водород и т.п.) под атмосферным или немного пониженным давлением. В камере расположены два электрода (одним из электродов служит корпус камеры, если он металлический), к которым подводится постоянное напряжение. При измерении содержимое камеры подвергается действию ионизирующего излучения, которое ионизирует газ.

По устройству измерительной части дозиметры делятся на два класса.

Приборы, измеряющие заряд, образовавшийся в ионизационной камере под действием ионизирующего излучения. По устройству это чаще всего конденсаторные дозиметры, измерительным устройством в них является электрометр, шкала которого градуирована в единицах экспозиционной дозы.

Приборы, измеряющие силу тока, возникшего в иони-зационной камере под действием излучения, шкала измерительного устройства в них также градуирована в единицах экспозиционной дозы.

Если измеряя дозу, одновременно измерять время действия излучения, то можно определить и дозу и мощность.

Принцип действия конденсаторного дозиметра рассмотрим .

по следующей схеме. камера с

рабочим объемом ,электрод, соединенный с чувствительным электро-метромПеред измерением электрод и электрометр заряжают до некоторого потенциала. При этом на них образу-

ется заряд . емкость электрода вместе с электрометром. Затем камеру облучают, воздух ионизируется, в камере образуются ионы. Отрицательные ионы притягиваются к электроду, и потенциал падает до величины, а заряд до величины. Заряд, образовавшийся в камере под действием излучения равен

Соответствующая экспозиционная доза

,

где коэффициент пропорциональности, устанавливаемый при градуировке.

Таким образом, экспозиционная доза находится по разности показаний электрометра в начале и в конце измерения.

Защита от ионизирующего излучения

Мощность экспозиционной дозы от источника излучения точечной формы пропорциональна активности и обратно пропорциональна квадрату расстоянияот источника излучения до места определения дозы

Коэффициент пропорциональности -Называется гамма–постоянной радиоактивного изотопа.

По определению

Отсюда следует, что защита осуществляется тремя путями: временем, расстоянием и материалом.

1) Защита временем: чем меньше время облучения, тем меньше полученная экспозиционная доза.

2) Защита расстоянием: чем меньше расстояние от источника излучения, тем больше полученная доза.

Таким образом, необходимо как можно меньшее время находится в зараженной излучением зоне и как можно дальше от неё.

Защита материалом для разных видов излучения различна.

а) частицы обладают малой проникающей способностью, поэтому защитой отчастиц может служить тонкий слой любого вещества (одежда, плотная бумага, целлофан и т.п.) Основную опасностьчастицы представляют при попадании на слизистые оболочки дыхательных или пищеварительных путей.

Поэтому в зоне заражения дышать нужно через какую-либо повязку или респиратор и не принимать пищу.

б) Проникающая способность частиц выше, чем участиц, следовательно, защита отчастиц должна быть более мощной: пластины из алюминия, стекла, плексигласа и др.

материалов, толщиной в несколько сантиметров (не менее 1 см).

в) Защита от рентгеновского, излучения и нейтронов достаточно сложна, т.к. эти излучения меньше реагируют с веществом и имеют большую глубину проникновения в вещество. Поэтому для защиты от рентгеновского иизлучения применяют вещества. Состоящие из тяжелых металлов: чугуна, стали, свинца, свинцового стекла. Для защиты от нейтронов применяют вещества с невысоким порядковым номером, содержащие водород (вода, бетон). В этих веществах в процессе соударения с ядрами водорода (с протонами) нейтроны быстро теряют свою энергию.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА.

Каждый электрон в атоме вращается вокруг ядра, обладая орбитальным (вращательным) механическим моментом . И в то же время вращается вокруг собственной оси, обладая собственным механическим моментом. В атоме, имеющем несколько электронов, эти моменты складываются согласно законам квантовой механики, образуя результирующий орбитальный момент атома и результирующий собственный механический момент атома. В свою очередь, эти моменты также складываются и дают результирующий механический момент. Число– орбитальное квантовое число, целое; число– спиновое квантовое число, может быть целым или полуцелым, в зависимости от числа электронов.

Вращение электронов вокруг ядра и вокруг собственной оси следует рассматривать как токи внутри атома. Поэтому при вращении электронов вокруг ядра электроны приобретают магнитные моменты , которые, складываясь, дают магнитный момент атома

.

Здесь магнетон Бора–единица магнитного момента;заряд и масса электрона;посьоянная Планка;множитель Ланде; “-“ означает отрицательный знак электрона.

Т.о. энергия атома зависит от взаимной ориентайии моментов (от квантового числа), от взаимной ориентации моментов(от квантового числа) и от взаимной ориентации моментови, (т.е. от квантового числа).

Зееман, помещая атомы в постоянное магнитное поле, обнаружил следующее явление. Пусть в отсутствии магнитного поля энергия атома равна . Эсли этот атом поместить в постоянное магнитное поле индукцией, то магнитный момент атомабудет иеть различные проекции на вектор магнитной индукцииэтого поля:

,

где магнитное квантовое чило, принимающее значения

(всегозначение). Из-за этого уровеньрасщепляется на столько уровней, сколько возможно проекций магнитного моменоа на вектор. Энергия атома в магнитном поле определяется теперь как

,

т.е. каждый энергетический уровень расщепляется на подуровней. Например, для

Это соответстует трем возможным частотам:

Это расщепление энергетических уровней названо эффектом Зеемана и объясняется тем, что атом, обладающий магнит-ным моментом , приобретает в магнитном поле дополнительную энергию

.

В рассмотренном примере и.

Электронный парамгнитный резонанс

Если атом находится в постоянном магнитном поле, то переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но если на атом подействовать внешним переменным магнитным полем таким, что частота этого поля совпадет с частотой фотона, энергия которого равна, переходы становятся возможными. При этом происходит поглощение или излучение энергии электромагнитного поля, которое называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

Если переходы осуществляются между подуровнями двух уровней, то испускается энергия . При прохождении электромагнитной волны через образец такая же энергия поглощается:

ЭПР наблюдается в основном в кристаллических и жидких парамагнетиках, т.к. у диамагнетиков

Форма и интенсивность спектральных линий определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, с решеткой твердого тела и от других взаимодействий.

Взаимодействие с решеткой вещества приводит к уширению линии. Таким обоазом вместо бесконечно узкой линии поглощения наблюдается линия конечной ширины.

Различные виды взаимодействий между частицами вещества также приводят к увеличению ширины линии поглощения и на форму линии, что позволяет изучать виды взаимодействия частиц вещества по спектру ЭПР.

Поглощенная при ЭПР энергия, т.е интегральная (суммарная) интенсивность линии, при определённых условиях пропорциональна числу парамагнитных частиц, что позволяет по измереноой интенсивности судить о концентрации этих частиц.

В медико-биологических исследованиях с помощью метода ЭПР обнаруживают и исследуют свободные радикалы. По спектрам ЭПР объяснили механизм образоывания свободных радикалов при радиационном поражении; изучают канцерогенную активность некоторых веществ; изучают фотосинтез.

Для изучения биологических молекул используют метод спин-меток, при котором в различные части молекул исследуемого вещества вводится спин-метка – парамагнитная молекула с хорошо изученной структурой, которая образует ковалентную связь с исследуемым веществом. По изменению спектра спин-метки можно установитьрасположение различных групп атомов, их взаимодействия, изучать природу и ориентацию химических связей, обнаруживать молекулярное движение.

Используются также и спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами.

Частоты спектра ЭПР лежат в радиоволновом диапазоне. Приборы, на которых производятся ЭПР – исследрвания называются ЭПР-спетрометрами или радиометрами. Блок - схема их следующая:

Ядерный магнитный резонанс

Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном мегнитном поле, обусловленное перелриентацией магнитных моментов ядер, назыывают ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Магнитный момент ядер суммируется из магнитных моментов нуклонов. Обычно этот момент выражают в магнетонах :Магнитный момент протона приближенно равен, а нейтрона. Знак “-” означает, что магнитный момент нейтрона или ядра ориентирован противоположно спину.

Магнитный момент ядра, помещенного в постоянное магнитное поле, может принимать только дискретную ориентацию. Это значит, что энергетический уровень ядра, также как энаргетический уровнь атома, в постоянном магнитном поле расщепляется на подуровни.

Если в этих условиях на ядро воздействовать переменным электромагнитным полем, то между подуровнями станут возможными переходы. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля ядром, необходимо, чтобы частота электромагнитного поля, совпадала с частотой перехода между подуровнями, т.е.

.

Эти условия выполняются только для свободных ядер. Экспериментальные значения резонансных частот не совпадают с частотами, определяемые этой формулой. Это обусловлено химическим сдвигом, который возникает из-за того, что в атомах и молекулах под действием постоянного магнитного поля возникают электронные токи, создавая локальное магнитное поле. Поэтому постоянное магнитное поле следует характеризовть эффективным значением напряженности

,

где постоянная экранирования, зависящая от электронного окружения ядер. Это означает, что для данного типа ядра резонанс наблюдается при разных частотах, что и определяет химический сдвиг. Он зависит от электронного строения молекул, от химической связи, концентрации данного вещества, темрературы, типа растворителя и т.д.

По химическому сдвигу, числу линий в спектре, по положению линий можно установить структуру молекулы.

В настоящее время разработан метод ЯМР - интроскопии, в котором без разрушения послойно исследовать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией, что является эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояния органа и ткани.

108