A fény keletkezése Hőmérsékleti sugárzás Hőmérsékleti sugárzás Lumineszcencia Lézer
• Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás
Környezetének hőfokától függetlenül minden test minden, abszolút nulla foktól különböző hőmérsékleten elektromágneses sugárzást bocsát ki.
látható fényt bocsátanak ki
Forrása: rezgő töltés – „oszcillátor”
A rezgési energia kvantált természetű, csak meghatározott értékkel változhat.
Kirchhoff megfigyelése: testre jellemző abszorpciós tényező
α= E = hf
E absz Eössz
hullámhosszról hullámhosszra változhat
f: az oszcillátor frekvenciája h: Planck-állandó
Planck (1900)
Abszolút fekete test: minden rá eső energiát elnyel
A rezgési energia változása
α =1
elektromágneses sugárzás elnyelésével illetve kibocsátásával jár.
Kirchhoff megfigyelése: ha egy test „erősebben” sugároz, akkor jobban el is nyel
M λi α λi = M λj α λj
M: kisugárzott felületi teljesítmény [W/m2]
α λj = 1
i: tetszőleges test j: abszolút fekete test
α λ ( fekete ) = 1
α λj < 1
M λj < M λ ( fekete ) Az abszolút fekete test kisugárzott felületi teljesítménye a legnagyobb
α λi < 1 M i < M λ ( fekete )
Az abszolút fekete test által kisugárzott felületi teljesítmény a legnagyobb
Az emberi test kb. 95%-os fekete testnek tekinthető
A hőmérsékleti sugárzás emissziós spektruma - a spektrum folytonos
ΔM Δλ
Stefan – Boltzmann törvény
M fekete(T ) = σT 4
ΔM Δλ
- egy maximuma van :
λmax
Stefan – Boltzmann -állandó
σ = 5.7 ×10 −8 [
- a gőrbe alatti terület:
W ] m2 K 4
M = σT 4 Összes kisugárzott felületi teljesítmény
λmax
A hőmérsékleti sugárzás szerepe a hőleadásban 4 4 ΔM = σ (Ttest − Tkörnyezet )
Befolyásolja a sugárzó test -hőmérséklete -felszínének területe
λmax
Betekintés a hőszabályozásba Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás A szervezet hőszabályozástól független hőtermelése: alapanyagcsere izommunka szekréció stb
-a környezet/a környező tárgyak hőmérséklete
Sugárzás
Sugárzás
Vezetés
Vezetés
Áramlás
Áramlás Párolgás
Csak a hőszabályozás érdekében termelt + hő
Nem szabályozható
MaghőmérsékletÅÆköpenyhőmérséklet
Betekintés a hőszabályozásba
Maghőmérséklet : 37 oC
Hőtermelés + hőfelvétel = hőleadás
agy, szív/mellkas, hasüreg Sugárzás
≈ 100W
Vezetés
elhanyagolható
Áramlás
≈ 10W
Párolgás
≈ 10W
Köpenyhőmérséklet: változó bőr, bőr alatti kötőszövet, végtagok…
Külső hőmérséklet
Milyen kihívások lehetnek a szabályozás számára? 1/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál alacsonyabb
energiafelhasználás
Az ember komfortzónája
hőtermelés
2/ A környezeti hőmérséklet az optimálisnál magasabb
optimális : komfort hőmérsékleti zóna nincs szükség extra energiára sem a testhőmérséklet emeléséhez, sem csökkentéséhez
20-24 komfortzóna ruhában
tkörnyezeti (oC)
28-30 mezítelen komfortzóna
Az emissziós spektrum változása a test hőmérsékletével
T1 > T2 > T3 > T4 > T5
ΔM Δλ
M1 > M 2 > M 3 > M 4 > M 5
Wien-féle eltolódási törvény ΔM Δλ
UV
VIS
infravörös
T × λmax = k k = 2.898 ×106 [nm × K ]
λmax1 < λmax 2 < λmax 3 < ... T × λmax = állandó
Tköpeny ≈ 305 [K]
λ [nm]
λmax ≈ 9500[nm] 700 K testhőmérséklet alatt a sugárzás nem látható
Alkalmazások 1. Hőmérsékleti sugárzás detektálása teletermográfia - infradiagnosztika A köpeny hőtérképe – daganatok, gyulladások, érszűkületek diagnosztikája Wien-féle eltolódás alapján az emberi test spektrumának maximuma . Emberi hőtérképek készítésében alkalmazott készülékek érzékenységi maximuma: 7-14 microméter
Normal és infrakamerával készült felvételek
A termográfia alkalmazásának szakterületei: sportegészségügy reumatológia emlőrák diagnosztika fogászat neurológia
Nem orvosi célú felhasználási területek
Szigeteléstechnika
Élelmiszeripar
Csillagászat
Alkalmazások
300 K
2. Hőmérsekleti sugárzó fényforrások
6,000 K
T (K)
λmax (μm)
Spektrumtartomány
M (W/m2)
Nap
6000
0.5
VIS
7 x 107
Föld
300
10
infravörös
460
Seasonal Affective Disorder (S.A.D.) kezelése 5000 K hőmérsékleti sugárzó fényforrás (λmax = 580 nm) UV szűrővel (Nap: kb 6000 K, λmax = 480 nm) A megvilágítás erőssége: max . 5 - 10 ezer lux (normál munkahelyi világítás kb 50-100 lux, tűző napsütés kb 105 lux)
Kezelési idő: 10 – 15 perc / nap
Photothermal detection of dental caries
Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika
II. 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.6
Fényemisszió formái • Hőmérsékleti (feketetest) sugárzás • Lumineszcencia • Lézer
Lumineszcencia
Ismétlés • Az atomban az elektronok energiaállapotai kvantáltak • A lehetséges legalacsonyabb energiájú állapotot töltik be • Pauli‐féle tilalmi elv
Tekintsünk egy atomot
Gerjesztés sokféleképpen lehetséges
-(fény) foton elnyelése: fotolumineszcencia
Gerjesztő energiahν
E1 E0
E1 E0
-kémiai reakció energiája: kemo/bio-lumineszcencia -ütközés elektromos térrel gyorsított töltésekkel:
Alapállapot
Energiafelvétel
Gerjesztett állapot
elektrolumineszcencia -mechanikai deformáció: tribolumineszcencia -hőközlés: termolumineszcencia
E1 E0
Lumineszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett
külső héjon lévő elektron gerjesztése
elektron energiájának a rovására
E1 E0 elektron visszatérése alapállapotba
Spontán, külső hatás nélkül
E1
Lépései: külső héjon lévő elektron gerjesztése elektron spontán visszatérése alapállapotba
E0 fényemisszió
hf=E1-E0
Tekintsük az atomok sokaságát kölcsönhatásban egymással és a környezetükkel S1 sugárzás nélküli energialeadás
S1 gerjesztés
fényemisszió
Kasha-szabály: a fényemisszió a legalsó gerjesztett elektronállapot legalsó rezgési nívójáról történik
gerjesztés
S0
Egerjesztés ≥ Efluoreszcencia
S0 Fluoreszcencia
λgerjesztés ≤ λfluoreszcencia
Szingulett állapot Párosított spinű elektronok
Fényemiszió spinváltozás nélkül
Fluoreszcencia Fényemiszió spinváltozás nélkül
Stokes-eltolódás
Emittált foton energiájának jellemzése sugárzás nélküli energialeadás
S1 gerjesztés
spinátfordulás
S1
spinátfordulás
T1 fényemisszió
gerjesztés
T1
fényemisszió fényemisszió
fényemisszió
S0
S0 Foszforeszcencia Fényemiszió spinváltozás után
Fluoreszcencia
Triplett állapot Párosítatlan spinű elektronok
Stokes-eltolódás Metastabil állapot
Foszforeszcencia
Egerjesztés ≥ Efluoreszcencia > Efoszforeszcencia λgerjesztés ≤ λfluoreszcencia < λfoszforeszcencia
Emittált intenzítás hullámhossz szerinti eloszlása
Emisszió jellemzése
Emissziós spektrum
Emittált intenzítás hullámhossz szerinti eloszlása Emissziós spektrum Atomok esetében:
Molekulák esetében: ΔJ/Δλ
vonalas spektrum
abszorpció
sávos spektrum
fluoreszcencia foszforeszcencia
Mennyi?
dJ/dλ
lgJ0/J
hullámhossz (nm)
Mi?
λgerjesztés ≤ λfluoreszcencia < λfoszforeszcencia
hullámhossz (nm)
Stokes-eltolódás
Pl.: A triptofán megfelelő spektrumai Fluoreszcencia gerjesztési spektrum λem=340 nm
rel.ΔJ/Δλ
Fluoreszcencia emissziós spektrum λgerj=295 nm
Foszforeszcencia emissziós spektrum λgerj=295 nm
Gerjesztett állapot időtartamának jellemzése
Időkorrelált egyfoton-számlálás A fluoreszcencia intenzitásának folyamatos mérése helyett a gerjesztő és a detektált impulzus közötti időt mérjük, nagyon sok mérés statisztikája adja a fluoreszcencia lecsengési görbét.
hullámhossz (nm)
Gerjesztett állapot időtartamának jellemzése Gerjesztett elektronok száma
N = N 0e
− τt
- Exponenciális lecsengés
Élettartam
az az idő, ami alatt a gerjesztett elektronok száma a gerjesztés megszűnése után e-ed részére csökken
S1
N
τ: Élettartam
No
az az idő, ami alatt a gerjesztett elektronok száma a gerjesztés megszűnése után e-ed részére csökken
No/2 No/e
0 0
T
τ
t
T1
fényemisszió
gerjesztés
fényemisszió
S0 Fluoreszcencia
Foszforeszcencia
rövid
hosszú
10-9 – 10-7 s
10-3 – 102 s
Minden gerjesztést fényemisszió követ? Minden gerjesztést fényemisszió követ? Kvantumhatásfok Környezetükkel kölcsönhatásban levő molekulák (oldatban, sejtekben, szövetekben) elektronjai igen ritkán adják le
fotonemisszióval a gerjesztéskor felvett energiájukat. Sokkal valószínűbb, hogy az energialeadás sugárzás nélkül, vagyis hő keltésével vagy kémiai reakciók útján történik.
A
hν
B
az egy “B” keletkezéséhez szükséges elnyelt fotonok számának a reciproka Fluoreszcencia kvantumhatásfoka (QF) A fluoreszcencia során emittált és elnyelt fotonok hányadosa.
QF ≤ 1
A lumineszcencia alkalmazási területei
A lumineszcencia fajtái
fényforrások (világítás, sterilizálás, szolárium,
fluoreszcencia
terápiás alkalmazások, stb.)
foszforeszcencia
koncentráció meghatározása (pl. lángfotométer) lumineszcencia spektroszkópia
Jellemzésük
lumineszcencia mikroszkópia
emissziós spektrum típusa maximumának helye alakja amplitúdója élettartam kvantumhatásfok
diagnosztika dózismérés (lásd majd dozimetria) régészeti kormeghatározás belső építészet biztonságtechnika …
Fényforrások
Kisnyomású Hg-gőz lámpa DNS elnyelési maximuma
Fémgőz lámpák Kisnyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma
hullámhossz (nm)
Nagynyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma
emissziós spektruma
Sterilizálás „germicid lámpa”
Példák a fogorvosi alkalmazásra Az orvosi diagnosztikában, és kutatómunkában elterjedten használnak Amalgám tömés elégtelen illeszkedése
lumineszcencia módszereket
Intrinzik fluoreszcencia v. fluoreszcens jelzés
Piros fluoreszcencia a tömés peremén jelzi a tökéletlen illeszkedést és a megtelepedő baktériumokat
Lumineszcencia mikroszkópi Tejfogak felszíne natív állapotban és fluroeszcens festés után
Kékfény gerjesztés
Egészséges és malignus szövetek eltérő fluoreszcens tulajdonságai
Aktív caries
Fog felszíne natív állapotban és fluroeszcens festés után
Kezdődő caries
Laboratóriumi alkalmazás számos területe
Sok egyéb...
Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika
II. 2.2 2.2.4 2.2.6 VI.3.3 3.3.1 3.3.2 –ből 411-413 oldal 3.3.3
