Elektromágneses sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások
Dr. Fidy Judit egyetemi tanár 2012 Febr.15 Tormaperoxidáz
Foszfoglicerát kináz
Sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások
Fény – Röntgen sug. : elekromágneses hullámok Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
fotonenergia=hf (eV)
Látható fény (nem ionizáló) Röntgensugárzás
(Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika) (Magsugárzások és nagy energiájú röntgen sugárzás orvosi alkalmazásai „Orvosi fizika” MSc)
800nm 1.55 eV
400nm 3.1 eV
Fény – X-ray
elekromágneses hullámok
Logaritmikus skála
emlékeztető
10 −9 m = 1 nanometer
fotonenergia=hf (eV)
1 eV = 1.6 x 10-19 Joule
X-rays 10 eV
300keV
103pm 10pm
Elektromágneses hullámok - emlékeztető
EM hullámok fontos tulajdonságai T t x
H B
E = E max ⋅ sin ( 2 π t + 2 π T B = Bmax ⋅ sin ( 2π t + 2 π T
x + Φ) λ x + Φ) 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 = 299,792,458 m/s vákuumban
c= E B
Elekromágneses hullámok – kettős természet ? Logaritmikus skála
fotonenergia=hf (eV)
X-rays 800nm 1.55 eV
hullám - leírás
400nm 3.1 eV
A fény természete, forrásai és biológiai hatásai
foton - kép
A fény terjedésének és anyagi kölcsönhatásainak értelmezéséhez mind a hullám- mind a fotonleírást használjuk
A fény hullám paraméterei
Kettős természet - hullám Huygens elv, diffrakció, interferencia
X-rays - részecske: foton (energia-kvantum) fotoelektromos hatás, energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban
partnere az elektron
UV-C UV-B 200-280 280-315 nm nm
6.2 eV
UV-A 315-400 nm
1.8 eV
A fény hullám polarizáltsága A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben
Poláros fény A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben
r c
b. Cirkulárisan poláros fény
a. Síkban/lineárisan poláros fény
jobbra - balra A térerősség vektor végpontja a terjedés iránya körüli spirálison mozog. A „c” vektor irányára merőleges síkra vetítve E és B egyenletes körmozgást végez.
A térerősség vektorok iránya a hullám mentén állandó – síkot határoz meg.
Jobbra cirkulárisan poláros fény
r E
x
Poláros fény
Poláros fény
A térerősség vektor iránya meghatározott szabályszerűséget mutat időben és/vagy térben
Optikailag aktív anyagok (molekulák, szerkezetek) a linárisan poláros fény térerősség-vektorának irányát elfordítják
A linárisan poláros fény két, jobbra, ill. balra cirkulárisan poláros fény eredője Balra cirkulárisan poláros fény
rx c
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
Oka: speciális aszimmetria – tükörszimmetria hiánya A mintában a cirkulárisan poláros komponensek terjedési sebessége különböző Balra cirkulárisan poláros fény
rx c
Az optikai forgatás mértéke a molekulák minőségre jellemző és arányos a részecskeszámmal
Jobbra cirkulárisan poláros fény
Különböző terjedési sebesség, azonos amplitudó Azonos terjedési sebesség és amplitudó
Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata
Poláros fény Elliptikusan poláros fény
RNS
Cirkuláris dikroizmus
Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum
h∗ f = h∗ c
λ
A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától
A két cirkulárisan poláros komponens törésmutatóban és abszorbanciában is különbözik a kölcsönhatás után Æ az eredő elliptikusan polárossá válik
Elektron-pályaenergia En
RNS-bázisok
Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata
Gerjesztés: fény-fotonenergia-felvétellel En
Fényfoton elnyelése - emissziója használt sémák, jelölések
szabad elektron-állapotok
En+2
hf1 = En +1 − En
Szabad elektron
En+2 En+1
hf 2 = En + 2 − En
pályaenergia En
A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától
pályanenergia En
λ
Elektron-pályaenergia En
En+1
Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum
h∗ f = h∗ c
gerjesztés
En
Gerjesztés: fotonenergia-felvétellel En
szabad elektron-állapotok
szingulett alapállapot S0
relaxáció Pl. emisszió
szingulett gerjesztett állapot S1
Szingulett állapot (singlet):
∑s
i
=0
i
Sematikus ábrázolás: csak a legfelső betöltött nívó elektronjai
Optikai elektron-átmenetek
FOTON
ELEKTRON
abszorpció és emisszió foton-képben
Fényfoton elnyelése – emissziója Mérés: optikai spektroszkópia
Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu atom
SPEKTRUM
pályaenergiák
-Elnyelési Optikai foton-energia (~2-3 eV) elnyelése - emissziója a legkülső – leglazábban kötött elektronokat érinti
elnyelés v. kibocsátás valószínűsége
-Abszorpciós spektrum -Kibocsátási
-Emissziós spektrum
EKα∼8 keV (L->K átmenet) Röntgen-tartomány!
( 1 mv2 - részecske- sugárzás) 2 hf = h c = hc 1
λ
λ
[eV ]
[
1 cm−1
λ
]
energia pl. részecske-energia fotonenergia
IR- VIS – UV
Optikai spektroszkópia
Milyen fotonok gerjesztenek?
Milyen fény-fotonok gerjesztenek? Mérés: optikai abszorpciós spektrum
ε (λ ) abszorpciós spektrofotométer
Moláris extinkció kvantumkémiai értelmezése: „Átmeneti dipólus-momentum”
Egy elektronátmenet valószínűségét a kiindulási és a végső elektron-vibrációs pálya Kvantumszámai határozzák meg (hullám-kép): Hemoglobin abszorpciós spektruma
kiválasztási szabályok
J J0
Mennyit változhatnak a kvantumszámok?
fényintenzitás
Δn = bármennyi, Δl = +/-1, Δm = 0 vagy +/-1
molekula híg oldata
Lambert-Beer törvény J A= D=
Abszorbancia Optikai denzitás
S0->S2
lg
0 = ε (λ ) ∗ c ∗ l J h*f
Δs = 0 + vibrációs módusok csatolása
S0->S1
Gerjesztési vagy emissziós átmenetben az elektron spinállapota nem változhat Megengedett, és tiltott átmenetek ………………nagy vagy kis valószínűségű átmenetek
Molekula – kölcsönhatásban a környezettel emisszió csak a legalsó gerjesztett állapotból
Molekula – kölcsönhatásban a környezettel „sávos” spektrumok
Az elektron-pályák energiáit a molekulák diszkrét vibrációs állapotai kis mértékben perturbálják
Az elektron-pályák energiáit a molekulák diszkrét vibrációs állapotai kis mértékben perturbálják
A vibrációs nívók mind az abszorpciós, mind az emissziós átmenetek fotonenergiáiban új lehetőségeket jelentenek
Kasha-szabály A felsőbb gerjesztett állapotokból nincs átmenet az alapállapotba fotonemisszióval – vibrációs relaxáció (energialeadás hő formájában) az elektronállapotokon belül, és az S1 állapotba
Egyes fotonenergiák helyett közeli Fotonenergiák sorozata a spektrumokban
gerjesztés
relaxáció
Molekulák vibrációi SÁVOK T hőmérséklet Környezeti kölcsönhatások
Aromás szénhidrogének
Emisszió csak az S1 nívóról gerjesztés
relaxáció
Aromás szénhidrogének
Molekula – kölcsönhatásban a környezettel emisszió a gerjesztésnél hosszabb hullámhosszakon
A polarizáció (hullám-tulajdonság) szerepe fény-abszorpcióban, fény-emisszióban
A mért abszorpciós és emissziós sávok energiája eltér egymástól
Stokes-féle eltolódás
A molekulák gerjesztésekor elektronállapotváltozás töltéseltolódás Dipólus vektorral jellemezhető : ‘átmeneti momentum’ Függ a molekula szerkezetétől, a szerkezethez orientált pl. triptofán: a molekula sikjában
Fotoszelekció: poláros fény elektromos térerősség vektora azokat az
elektronokat gerjeszti, ahol a keltett dipólus-momentum és a térerősség vektor iránya (közelitőleg) megegyezik. Emisszióban is dipólus-jelleg érvényesül.
Az abszorpció és az emisszió is a legalsó vibrációs szintről történik
hf abs > hf fluo
λabs < λ fluo Maximum-helyek
Polarizált gerjesztés
Álló molekula
Polarizált emisszió
Az emisszió polarizációfokának (p) mérése
IVV-IVH p= IVV+IVH V vertikális polarizáció H horizontális
A fény biológiai hatásai Szempontok: Mi nyeli el? Milyen mélyre jut? Milyen szerveket ér fény? Fénnyel kiváltott reakciók, terápiás beavatkozások
Ha a molekula a gerjesztett állapot ideje alatt elfordul az emisszió polarizációja csökken Beágyazó környezet (pl. plazmamembrán ) fluiditásának jellemzése
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Mit ér közvetlenül fény?
Immune supression
Káros hatások szemre bőrre
Mit ér közvetlenül fény? 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!
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Milyen molekulák nyelik el?
Milyen molekulák nyelik el? Endogén DNS purin és pirimidin bázisai
Hemoglobin, mioglobin
β-karotin
Melanin
Relatív optikai denzitás
Relatív optikai denzitás
Endogén
fehérjék aromás aminósavai
Hullámhossz (nm)
A fény biológiai hatásai
+Exogén kromofórok -ételfestékek -gyógyszerek -kozmetikumok …..
Hullámhossz (nm)
A fény biológiai hatásai
Milyen molekulák nyelik el?
Behatolási mélység? Szem
NUV UVB UVA UVC 280 300 320 340 360 λ[nm] cornea 100 iris
lencse
retina
92 47 37 1 32 6 16 4 14 2
36 48 52
1 1 2
UVA 320 cornea iris
retina
320 360 λ[nm] 360 λ[nm] 47 16
32 14
lencse 36
1
52
2
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Behatolási mélység?
Fotokémiai mechanizmusok
Bőr
Fény reflexiója
Indirekt fotokémiai reakciók Elektronátadás
D
hν
-
D+ + A
D* + A
írha
D* Termék : reaktív szabadgyök
Energiaátadás bőralja Pigmentek elnyelése- barnulás Szénhidrogének elnyelése
D D* + A
hν
D* D + A*
Aromás aminosavak elnyelése
Termék: szinglet oxigén
Nukleinsavak elnyelése
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Fotokémiai mechanizmusok Direkt fotokémiai hatások: az elnyelt foton közvetlenül vezet kémiai átalakuláshoz - UV fotodimerizáció DNS, RNS-ben
Fotokémiai mechanizmusok Terápiás alkalmazások fényérzékenyítőkön keresztül - specifikus kötődés + száloptika
(timin, citozin, uracil)
- fotohidratáció -DNS-fehérje keresztkötés - bőrgyógyászati alkalmazások
A napsugárzás emissziós spektruma
Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások 1. Hőmérsékleti sugárzás folytonos spektrum Oka: anyagok belső szerkezetének termikusan gerjesztett rezgései M = σ ∗T 4
λmax ∗ T = konst
A Nap emissziós spektruma A Nap hőmérsékleti sugárzása A Föld légkörét elérő sugárzás A látás érzékenységi görbéje A Föld felszínét elérő sugárzás
Fény? T-től függ Izzószálas fényforrások
Wolfram szál spektruma (Sollux lámpákban)
Halogén gáz töltet a szál párolgása ellen
Lumineszcencia Jellemző paraméterek természetben ritka
2.1. Spontán fényemisszió: A Nap sugárázásának UV tartományát a légkör elnyelése szűri ki O3 tartalom!
„hideg emisszió” Az emisszió előfeltétele: gerjesztett elektronállapot - Az emissziós spektrum
ΔJ Δλ
Stokes szabály Kasha szabály Sávos, vagy vonalas
λ - Az emisszió kvantumhatásfoka: az elnyelt és emittált fotonok számának aránya (fotolumineszcenciánál) Az emissziós spektrum görbe alatti területe
Φem =
Nem kem = ≈ F (ν )dν N absz kem + kbelső + kkülső ∫ A gerjesztett elektron egyéb energialeadási reakciósebességei
ν=1 λ
Lumineszcencia Ritka jelenség a természetben
2. 1. Spontán fényemisszió:
A fényemisszió kvantumhatásfoka kicsi más reakcióutak az energialeadásra
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
2.1. Spontán fényemisszió:
Megkülönböztetés az emittáló gerjesztett elektronállapot alapján. Jablonski – diagram
Az S1 állapotú gerjesztett elektron spinátfordulással átmehet a T1 gerjesztett állapotba, ahonnan az S0 alapállapotba visszatérés tiltott
T1: alacsonyabb energiájú, hosszú élettartamú – metastabil – gerjesztett állapot Foszforeszcencia: spontán fotonemisszió metastabil (T1) állapotból
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
2.1. Spontán fényemisszió:
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
2.1. Spontán fényemisszió:
Fluoreszcencia:
Foszforeszcencia:
-Megengedett elektron-átmenetből (S1->S0) származó spontán fényemisszió
-Spontán fényemisszió metastabil átmenetből
-Élettartama rövid, τ ~ 1- 10 ns <-> gerjesztési idő ~10-3 ns
-Az emittáló nívó élettartama hosszú τ ~ ms, sec…
-Karakterisztikus fotonenergia(tartomány) –szín jellemzi - Többféle gerjesztési átmenettel is gerjeszthető
metastabil állapot -Az emittált fény fotonenergiája kisebb mint a fluoreszcenciáé -Hosszú élettartam -> lehetőség a környezeti energialeadásra emissziós intenzitás igen kicsi -> orvosi alkalmazása csekély
Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások
2.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia spektrumok összehasonlítása
2.1. 1. Lumineszcencián Metal vapour (e.g. Hg) lamps alapuló
természetesen lumineszkáló aminosav Triptofán - egy fehérjében
fényforrások
Alapja: gázkisülési csövekben keltett elektrolumineszcencia Absz.
-
Fluo
(az üvegbúra elnyeli az UV fényt, a kvarz nem)
+
Foszf
-Alacsony nyomású fémgőz-lámpák
Absz
Fluo
Foszforeszc. T=10K
Pl. - Na-lámpa sárga fénye - germicidlámpa: alacsony nyomású higanygőz vonalas emissziós spektruma 254 nm-en elnyelődik baktériumok genetikai állományában
Vibrációs relaxáció λfoszf > λfluo > λabsz
sterilizáló hatás -Ívlámpák nagy nyomású Hg, Xe vagy Na-lámpák, ionizált plazma ívkisülése folytonos spektrum jellegzetes vonalakkal
Stokes-féle eltolódás
Fémgőz lámpák
- Fénycsövek Pl. alacsony nyomású Hg gőz
+
Kisnyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma
Falra párologtatott vékony réteg bevonat
_ Üvegfalú cső
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.
Nagy-nyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma Hg-gőz lámpa
Erythemal lámpa : λ a 280 – 320 nm közeli UV- tartományban, uviol üvegfal
Jó fényhozam kompakt csövek
Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások 2.2. Indukált fényemisszió
- lézerek
Spontán emissziós fény : Az egyes elektronátmenetek térben és időben rendezetlenül, véletlenszerűen történnek. Az egyes hullámvonulatok fázisa egymástól független. A fény „inkoherens”
Indukált emissziós fény: A fényfotonok emisszióját az emittálandó fotonenergiával azonos energiájú foton jelenléte indukálja. A kibocsátott hullámvonulat a kiváltóval azonos fázisban lép ki, együtt koherensek
2.2. Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés energia felmelegedés
Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások 2.2. Indukált fényemisszió
- lézerek
LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 1961, Rubin-lézer Nemcsak erősítő, hanem speciális fényforrás
A lézer-fény speciális tulajdonságai -monokromatikus
Δf/f ~ 10-10 (
10-6)
-koherens : nagy a koherencia-hossz (103 m -kis divergencia (néhány szögperc) -nagy intenzitás
átlagos intenzitás
10-3 m)
jól fókuszálható impulzus-intenzitás
2.2. Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés --- energia --- felmelegedés speciális szem-alkotó szövetek
Lézerek
Szemészeti alkalmazás
Eddig: fény Következik: röntgensugárzás fény
Általános sebészeti alkalmazás
Fotonenergia
1.5 – 3 eV
Primér hatás
e- gerjesztés
Elnyelődés diszkrét fotonenergiáknál valószínűsége
röntgensugárzás (rtg. cső) 20 – 200 keV e- ionizáció energia folytonos függvénye
A röntgensugárzás természete, forrása és biológiai hatásai
Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)
Röntgensugárzás keltése röntgencsővel
Röntgencsövek
- forgó anód - hűtés
Rtg. Sug. keletkezik, ha nagy sebességű elektronok nagy rendszámú anyagban lefékeződnek.
η = Az anódban nagy a hőfejlődés
Psug < 1% Pel
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Emissziós spektrumok növekvő gyorsító feszültség mellett - Nagy feszültség (U) mellett a spektrum vonalassá válik - Az össz-teljesítmény erősen nő a feszültséggel - A spektrum a rövid hullámhosszú oldalon élesen végződik, λhat csökken, ha U nő
qeU = 1 me v 2 = hf h = h c 2 λh
λh = h ∗ c 1
qe U
Határoló hullámhossz λhat
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai Kétféle mechanizmus 1.Fékezési röntgensugárzás (Brehmstrahlung) - minden (nagy) U-nál - spektruma folytonos - teljes kisugárzott teljesítmény: λh = h ∗ c 1
qe U
Prtg = konst ∗ U 2 ∗ I ∗ Z 1.1*10-9V-1
Anód anyaga
- ezen alapul a röntgendiagnosztika
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai
A röntgensugárzás keletkezésének mechanizmusai
Kétféle mechanizmus
2. Karakterisztikus röntgensugárzás
Cu-anód
2. Karakterisztikus röntgensugárzás - csak elég nagy U felett - spektruma vonalas, az anód anyagára jellemző Cu-atom
1.Ionizáció
Alkalmazások: - Molibdén anód vonalai emlődiagnosztikában - vonalak fotonenergiája alapján kémiai elemzés
2. üres állapot betöltése
A röntgensugárzás alkalmazásai Röntgendiagnosztika alapjai A diagnosztikai alkalmazások a rtg sugárzás szöveti elnyelődésén alapulnak Kétféle mechanizmus a fotonenergiától függő súllyal. „Ionizáló” sugárzás: az elnyelt foton ionizál Abszorpciós együttható
A röntgensugárzás alkalmazásai Röntgendiagnosztika alapjai
Lágy szövetek
τ m = konst ∗ λ3 Z 3 J = J o e − μx = J o e −(τ m +σ m )∗ρ ∗ x
J = J o e − μx = J o e − μ m ρx Tömeggyengítési együttható
μ = μm ρ μm = τ m + σ m fotoeffektus
τm erősen függ Z-től és a fotonenergiától
hf = A + 1 mv 2 + hf ∗ 2
Röntgen-kép kontrasztja függ - sűrüségkülönbségektől - rendszám-különbségektől
A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai
A röntgensugárzás alkalmazásai A röntgenkrisztallográfia alapjai
A biológiai makromolekulák atomi felbontású szerkezetének meghatározása a röntgensugárzás diffrakcióján alapul. A mérést a makromolekulák egykristályain végzik.
A diffrakció felhasználása: monokromatikus nyalábok előállítása spektroszkópiai célokra
Diffrakció és interferencia az erősítés feltétele:
2d sin θ = nλ d ≈λ d ~ atomi kötéstávolságok d ~ 150 pm Æ Bragg-egyenletek
λ röntgentartományú
Lizozim enzim – kristály diffrakciós képe
E ( keV ) = 1 . 24 λ ( nm )
Megjegyzések gamma-sugárzásról fotonenergia ~ MeV elnyelési valószínűség: << rtg. sug. - 1 Mev körül minimuma lehet
Vége
Köszönöm a figyelmet
Röntgen sugárzás
A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere
A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere Ez a k ép most nem jeleníthető meg.
r
n +1
n
(r ) (r ) ( ) r
r
r
ψ ri , R j = θ ri , R j φ R j
ψ a (x, Q ) = θ a ( x, Q )φa (Q ) elektronok
dipól operátor
M a → g = ψ a μˆ ψ g komplex konjugált
Az elektromos dipólusmomentum várható értéke az átmenet során?
M a→ g
r
r
ψ a (x, Q ) = θ a (x, Q )φa (Q )
Az elektronok a fény elektromos vektorának irányában elmozdulnak az energia-átmenet során. Mekkora a dipólusmomentum keltésének valószínűsége?
állapotfüggvény
r
μ = μe + μmag = ∑ qe ∗ rri − ∑ z j ∗ qe ∗ R j
Feltesszük, hogy az oldatot olyan fénnyel világítjuk meg, amelyre teljesül a gerjesztési energia-feltétel hf = E − E
M a → g (Q ) = q e ∫ θ a
∗
(x , Q )[∑ rri ]θ g (x , Q )dx
M gn ← a 0 = ∫ φ ∗ a 0 (Q )M ag (Q )φ gn (Q )dQ ≅ M ag ∫ φ ∗ a 0 (Q )φ gn (Q )dQ
Átmeneti momentum
Born-Oppenheimer közelítés az elektronok mozgása független a magokétól
Atomtörzsek vibrációs állapotai:
g,n -- a gerjesztett molekuláris elektronállapot n.-ik vibrációs állapota
magok
Fontos mennyiségek
Abszorpciós spektroszkópia biofizikai alkalmazások
lg I 0 = ε (λ ) ∗ c ∗ x I
Oszcillátor erő
f = 4 .3 ∗ 10
−9
∫
ε (ν~ ) ∗ dν~
moláris extinkció
1
λ ( nm )
Hullámszám (cm-1)=(1/ λ(nm))*107 pl. Vibrációk energiája 100 – 2000 cm-1
Kloroplaszt spektruma Elektronátmenetek és molekuláris rezgések gerjesztése
küvetta rétegvastagsága
S2
moláris konc. Abszorbancia Optikai Denzitás
hf=fotonenergia (eV)=1234
S0
Molekuláris szerkezetvizsgálat Az a-g átmeneti valószínűség az összes vibrációs állapotokat tekintve
MÉRÉS
K spin ∗ M a→g = const. ∗ ∫ 2
multiplicitás
1600 cm-1
1600 cm-1
S1
S0
ε( f ) f
df
hullámszám
„vibronikus”átmenetek
3.2. Fényabszorpció – fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett
állapotból azonos spinállapotú alapállapotba
3.2. Fényabszorpció – fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett
állapotból azonos spinállapotú alapállapotba Fluoreszcencia Nem = ΦF emisszió kvantumhatásfoka Nabs ΦF = Ag→a = 8πhfa3→gn3c−3Bg→a
Átmeneti valószínűségek Einstein együtthatók: Bag abszorpció Bga indukált emisszió Aga spontán emisszió gerj
Ba,g
Bg,a Ag,a
Bg→a = Ba→g = K ∗ Ma2→g
alap
Feltétel:
Φ F = ∫ F (ν~ )dν~
hf = ΔE ga
Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő
fotonsugárzás jelenléte
ν~ = 1 ∝ λ
∫
ε (ν~ ) ~ dν ν~
Fluoreszcencia spektrum
az abszorpciós és emissziós spektrumok görbe alatti területei (azonos állapotok között) egymásból kiszámíthatók
2.2.
lézerek működési elve
2.2.
A lézer anyaga
A lézer anyag gerjesztése
Gáz, folyadék, szilárd test Követelmény: a gerjesztési és emissziós elektron-átmenetek három energiaállapoton belül történjenek, amelyek közül az egyik magasabb nívónak legyen hosszú az élettartama – lézer-nívó
gerjesztés
Ng
lézerek működési elve
N0
Intenzív gerjesztés
a felső nívó populálása
átmenet a metastabíl nívóra
Nm a hosszú élettartam
miatt megnő, az alsó nívó kiürül:
sugárzás nélküli átmenet
metastabil lézer nívó
Az elektronok gerjesztése külső forrásból: Pl. gázkisülés, fényimpulzus
Nm
Nm>>N0 populáció inverzió: a fényerősítés feltétele
2.2.
lézerek működési elve
Fényerősítés indukált emisszióval
2.2.
Az optikai rezonátor
Populáció inverzió mellett a rendszer a
hf= Em-E0
fotonenergiájú sugárzást
erősíti, ilyen foton indukálja az emissziót
Nm nagy
lézerek működési elve
Erősíti a lézer tengelyével egyirányú sugárzást Leszűkíti az emisszió hullámhossztartományát 99.9%
99%
L=mλ 2
néhány spontán emisszió E0-ra
fényerősítés
állóhullámok kialakulása
Mai kérdés: Hogyan alkalmazná az alábbi képletet, és milyen adatok hiányoznak, ha azt akarjuk megbecsülni a segítségével, hogy egy sok kötéssel stabilizált óriás-molekulában hány %-ban vannak felszakadt kötések? − Δε n2 = e kT n1
