Elektromágneses sugárzások és biológiai rendszerek Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások
Mai kérdés:
Becsülje meg, hány % van felszakadva egy makromolekulában azokból a kötésekből, ahol a kötési energia 2.7x10-2 eV (kT=0.027 eV). Dr. Fidy Judit egyetemi tanár 2015 Március 4
Sugárzások és biológiai rendszerek Elmaradt ábra a fehérje-dinamikáról
Ionizáló és nem-ionizáló sugárzások
Látható fény (nem ionizáló) Röntgensugárzás
(Röntgen-cső, szerkezetvizsgálat,diagnosztika)
Tormaperoxidáz
Foszfoglicerát kináz
(Magsugárzások és nagy energiájú röntgen sugárzás orvosi alkalmazásai „Orvosi fizika” MSc)
Fény – Röntgen sug. : elekromágneses hullámok Logaritmikus skála
10 −9 m = 1 nanometer
emlékeztető
fotonenergia=hf (eV)
800nm 1.55 eV
1 eV = 1.6 x 10-19C x1V=1.6 x 10-19 Joule
400nm 3.1 eV
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 400nm 3.1 eV
800nm 1.55 eV
hullám - leírás
A fény természete, elnyelődés és emisszió
foton - kép
A fény hullám paraméterei
A fény biológiai hatásai Szempontok: Mi nyeli el? Milyen mélyre jut?
X-rays
Milyen szerveket ér fény? UV-C UV-B 200-280 280-315 nm nm
6.2 eV
Fénnyel kiváltott reakciók, terápiás beavatkozások
UV-A 315-400 nm
1.8 eV
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Mit ér közvetlenül fény? Káros hatások szemre bőrre
Immune supression
Mit ér közvetlenül fény? Direkt fotokémiai hatások Æ genetikus anyag: az elnyelt foton közvetlenül vezet kémiai átalakuláshoz - UV fotodimerizáció DNS, RNS-ben
(timin, citozin, uracil)
- fotohidratáció -DNS-fehérje keresztkötés gén-állomány sérülése sejtpusztulás
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Mit ér közvetlenül fény?
Endogén
Szervezetre ?
Ismert hatások: - D-vitamin szintézis (UV-A) - anyagcsere, hormonrendszer, immunrendszer stimulálása (VIS) - téli depresszió & melatonin hormon túltermelése ……. Sok az ismeretlen tényező!
Relatív optikai denzitás
Pozitív hatások szemre bőrre
Milyen molekulák nyelik el?
Hemoglobin, mioglobin
β-karotin
A-vitamin provitaminja-étellel jut be
Melanin
Hullámhossz (nm)
Melanocitákban: Tirozin oxidáció,polimerizáció Æbarna, fekete, vörös színű granulumokÆ UV fényvédők
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Milyen molekulák nyelik el?
Milyen molekulák nyelik el?
Relatív optikai denzitás
Endogén DNS purin és pirimidin bázisai
+Exogén kromofórok -ételfestékek -gyógyszerek -kozmetikumok …..
fehérjék aromás aminósavai Hullámhossz (nm)
A fény biológiai hatásai
A fény biológiai hatásai
Behatolási mélység?
Behatolási mélység? Szem
NUV UVB UVA UVC 280 300 320 340 360 λ[nm] cornea 100 iris
lencse
92 47 37 1 32 6 16 4 14 2
36 48 52
Bőr
Fény reflexiója
UVA 320 cornea iris
320 360 λ[nm] 360 λ[nm] 47 16
32 14
lencse 36
52
írha
bőralja Pigmentek elnyelése- barnulás Szénhidrogének elnyelése Aromás aminosavak elnyelése
retina
1 1 2
retina
1
2
Nukleinsavak elnyelése
Fényterápia?
A fény biológiai hatásai –fény mint terápiás „eszköz” 1. Sejtpusztítás fotokémiai mechanizmusokkal Indirekt fotokémiai reakciók hν Elektronátadás D D* -
D+ + A
D* + A
Energiaátadás
D
hν
D* + A
Termék : reaktív szabadgyök
A fény biológiai hatásai –fény mint terápiás „eszköz” Terápiás alkalmazások: rákos sejtek elpusztítása fényérzékenyítőkön keresztül - specifikus kötődés + száloptika+lézerfény szervezeten belül
D* D + A*
Termék: szingulett oxigén
2. Lézerek sebészeti alkalmazása: „fénykés” elnyelés energia felmelegedés karbonizáció Æ vágás IR lézerek: szöveti víztartalom elnyelése UV-lézerek: felületi szerves molekulák elnyelése
- bőrgyógyászati alkalmazások felületi kezelések
Lézerek sebészeti alkalmazása elnyelés --- energia --- felmelegedés szem-alkotó szövetek specifikus elnyelése Ar lézer: 488 nm, 514 nm Kr-lézer: 548 nm, 647 nm
Vérerek elzárása a szemfenéken fotokoagulációval (alacsonyabb TÆ fehérjék denaturációjaÆ asszociátumok)
A fény terjedésének és anyagi kölcsönhatásainak értelmezéséhez mind a hullám- mind a fotonleírást használjuk
A LASER
Nemcsak erősítő, hanem speciális fényforrás
Kettős természet A lézer-fény speciális tulajdonságai -monokromatikus
Δf/f ~ 10-10 (
-koherens : nagy a koherencia-hossz (103 m -kis divergencia (néhány szögperc) -nagy intenzitás
átlagos intenzitás
A fényelnyelés modellje
- hullám Huygens elv, diffrakció, interferencia
10-6) 10-3 m)
- részecske: foton (energia-kvantum) fotoelektromos hatás, energiaátadás anyagoknak kvantált energiaadagokban, kölcsönhatásokban
jól fókuszálható
partnere az elektron
impulzus-intenzitás
Fény-foton koncepció
Fény-foton koncepció anyaggal való kölcsönhatás magyarázata
Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum
h∗ f = h∗ c
λ
λ
szabad elektron-állapotok
En+1
Gerjesztés: fény-fotonenergia-felvétellel
A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától
Elektron-pályaenergia En
Elektron-pályaenergia En
A fény-elnyelés mértéke függ a hullámhossztólfotonenergiától
En
Hemoglobin molekula oldata Abszorpciós spektrum
h∗ f = h∗ c
szabad elektron-állapotok
En+2
Gerjesztés: fotonenergia-felvétellel En
Optikai elektron-átmenetek
Fényfoton elnyelése - spontán emissziója
En+1
gerjesztés
En szingulett alapállapot S0
relaxáció Pl. emisszió
pályaenergiák
hf 2 = En + 2 − En
pályaenergia En
pályanenergia En
Sok-elektronos rendszerek elektron-energiái Egyszerű példa: Cu atom
hf1 = En +1 − En
En+2
ELEKTRON
abszorpció és emisszió foton-képben
használt sémák, jelölések
Szabad elektron
FOTON
Optikai foton-energia (~2-3 eV) elnyelése - emissziója a legkülső – leglazábban kötött elektronokat érinti
EKα∼8 keV (L->K átmenet) Röntgen-tartomány!
szingulett gerjesztett állapot S1
Szingulett állapot (singlet):
∑s
i
=0
i
Sematikus ábrázolás: csak a legfelső betöltött nívó elektronjai
Fényfoton elnyelése – emissziója Mérés: optikai spektroszkópia
Milyen fény-fotonok gerjesztenek? Mérés: optikai abszorpciós spektrum
A~ε(λ)
λ abszorpciós spektrofotométer
SPEKTRUM -Elnyelési
J = J 0e − μx
elnyelés v. kibocsátás valószínűsége
-Abszorpciós spektrum
J J0
-Kibocsátási
Lambert-Beer törvény
-Emissziós spektrum
híg oldatokban az abszorbancia arányos a koncentrációval
( 1 mv2 - részecske- sugárzás) 2 hf = h c = hc 1
λ
[eV ]
fényintenzitás
λ
[
1 cm−1
λ
hullámszám
]
energia pl. részecske-energia fotonenergia
IR- VIS – UV
Optikai spektroszkópia
A= D=
Abszorbancia Optikai denzitás
lg
J0 = lg e ∗ μ ∗ x = ε (λ ) ∗ c ∗ l J
Moláris extinkció – függ a -fotonenergiától -anyagi minőségtől
Küvetta vastagsága Koncentráció
NEM TÁRGYALTUK
Milyen fotonok gerjesztenek?
ε (λ )
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
S0->S2
A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere Feltesszük, hogy az oldatot olyan fénnyel világítjuk meg, amelyre teljesül a gerjesztési energia-feltétel
hf = En +1 − En
Az elektronok a fény elektromos vektorának irányában elmozdulnak az energiaátmenet során. Mekkora a dipólusmomentum keltésének valószínűsége?
Mennyit változhatnak a kvantumszámok?
Az elektromos dipólusmomentum várható értéke az átmenet során?
Δn = bármennyi, Δl = +/-1, Δm = 0 vagy +/-1
S0->S1
Δs = 0 + vibrációs módusok csatolása
r
r
ψ ri , R j = θ ri , R j φ R j ψ a (x, Q ) = θ a (x, Q )φa (Q )
Gerjesztési vagy spontán emissziós átmenetben az elektron spinállapota nem változhat Megengedett, és tiltott átmenetek ………………nagy vagy kis valószínűségű átmenetek
NEM TÁRGYALTUK
elektronok
M a → g = ψ a μˆ ψ g Born-Oppenheimer közelítés
magok
az elektronok mozgása független a magokétól: az állapotfüggvény szorzat-alakú
NEM TÁRGYALTUK
A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere
r
Átmeneti momentum
(r ) (r ) ( ) r
r
M a→ g
állapotfüggvény
r
r
μ = μe + μmag = ∑ qe ∗ rri − ∑ z j ∗ qe ∗ R j ψ a (x, Q ) = θ a (x, Q )φa (Q )
dipól operátor
A kiválasztási szabályok kvantummechanikai háttere 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
M a → g = ψ a μˆ ψ g komplex konjugált
M a → g (Q ) = q e ∫ θ a
∗
(x , Q )[∑
]
r ri 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 Atomtörzsek vibrációs állapotai:
g,n -- a gerjesztett molekuláris elektronállapot n.-ik vibrációs állapota
S a , 0→ g , n
Franck-Condon átfedési integrálok
Átmeneti valószínűség = Bg ← a /Einstein (indukált abszorpció)
Bg ←a = konst ∗ M g ,n←a , 0 = konst. ∗ M g ←a ∗ S g ,n←a , 0 2
A spin-tiltást egy faktorral veszik figyelembe
2
elektron-állapotok szimmetriája
2
a molekula torzulása gerjesztett állapotban
Nem ideális helyzetben:
f spin ≈ 10 −8
f e ≈ 10 −1
f vibr ≈ 10 −1 − 10 −3
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
pl. Vibrációk energiája 100 – 2000 cm-1
Kloroplaszt spektruma
S2
Elektronátmenetek és molekuláris rezgések gerjesztése
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
Fényabszorpció – fényemisszió Fluoreszcencia: spontán fényemisszió gerjesztett
állapotból azonos spinállapotú alapállapotba
„vibronikus”átmenetek
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:
hf = ΔE ga
fotonsugárzás jelenléte
B1, 2 N1 J ' = B2,1 N 2 J '+ AN 2 B1, 2 = B2,1
1
λ ( nm )
Hullámszám (cm-1)=(1/ λ(nm))*107
küvetta rétegvastagsága
moláris konc. Abszorbancia Optikai Denzitás
hf=fotonenergia (eV)=1234
Φ F = ∫ F (ν~ )dν~ Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő
(ν~ = 1 ) ∝
λ
∫
ε (ν~ ) ~ dν ν~
Fluoreszcencia spektrum
az abszorpciós és emissziós spektrumok görbe alatti területei (azonos állapotok között) egymásból kiszámíthatók
Gyakorlati ismeretek Molekula – kölcsönhatásban a környezettel emisszió csak a legalsó gerjesztett állapotból
Gyakorlati ismeretek 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
Gyakorlati ismeretek Molekula – kölcsönhatásban a környezettel emisszió a gerjesztésnél hosszabb hullámhosszakon A mért abszorpciós és emissziós sávok energiája eltér egymástól
Stokes-féle eltolódás
Lumineszcencia Jellemző paraméterek természetben ritka
Spontán fényemisszió:
„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 Az abszorpció és az emisszió is a legalsó vibrációs szintről történik
görbe alatti területe
hf abs > hf fluo
λabs < λ fluo Maximum-helyek
Φem =
Nem kem = ≈ F (ν )dν N absz kem + kbelső + kkülső ∫ A gerjesztett elektron egyéb energialeadási reakciósebességei
ν=1 λ
NEM TÁRGYALTUK Spontán fényemisszió:
Lumineszcencia Ritka jelenség a természetben A fényemisszió kvantumhatásfoka kicsi más reakcióutak az energialeadásra
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
Spontán fényemisszió:
Megkülönböztetés az emittáló gerjesztett elektronállapot alapján. Jablonski – diagram
Az S1 állapotú gerjesztett elektron spin-átfordulással átmehet a T1 gerjesztett állapotba (energiacsökkenés), ahonnan az S0 alapállapotba visszatérés tiltott
T1: alacsonyabb energiájú, hosszú élettartamú – metastabil – gerjesztett állapot Foszforeszcencia: spontán fotonemisszió metastabil (T1) állapotból T1: Triplett állapot
NEM TÁRGYALTUK Jablonski – diagram a vibronikus átmenetekkel
S1 Intersystem crossing, majd hőleadás
T1 abszorpció foszforeszcencia emisszió
∑s
i
=1
i
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
2.1. Spontán fényemisszió:
Fluoreszcencia: -Megengedett elektron-átmenetből (S1->S0) származó spontán fényemisszió
-Élettartama rövid, τ ~ 1- 10 ns <-> gerjesztési idő ~10-3 ns -Karakterisztikus fotonenergia(tartomány) –szín jellemzi - Többféle gerjesztési átmenettel is gerjeszthető
Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia
2.1. Spontán fényemisszió:
2.1. Spontán fényemisszió: Lumineszcencia Fluoreszcencia és Foszforeszcencia spektrumok összehasonlítása természetesen lumineszkáló aminosav Triptofán - egy fehérjében
Foszforeszcencia:
Absz.
Fluo
-Spontán fényemisszió metastabil átmenetből Foszf
-Az emittáló nívó élettartama hosszú τ ~ ms, sec…
metastabil állapot -Az emittált fény fotonenergiája kisebb mint a fluoreszcenciáé Absz
Fluo
-Hosszú élettartam -> lehetőség a környezeti energialeadásra emissziós intenzitás igen kicsi -> orvosi alkalmazása csekély
Foszforeszc. T=10K
Vibrációs relaxáció λfoszf > λfluo > λabsz
Stokes-féle eltolódás
Köszönöm a figyelmet
Irodalom: N.J.Turro: Modern Molecular Photochemistry, Benjamin/Cummings Publishing Co, London, 1978 J.B.Birks: Photophysics of Aromatic Molecules, Wiley, 1970, p.44-54 P.W.Atkins: Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press,1994
A következők olvasmányok. Nem lesznek tételszerűen számon kérve
Egy fontos fogalom: A fény hullám polarizáltsága
Poláros fény 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
A polarizáció (hullám-tulajdonság) szerepe fény-abszorpcióban, fény-emisszióban
Poláros fény Elliptikusan poláros fény
RNS
Cirkuláris dikroizmus
RNS-bázisok
A molekulák gerjesztésekor elektronállapotváltozás Æ Dipólus vektorral jellemezhető átmeneti momentum
töltéseltolódás Æ
Függ a molekula szerkezetétől (elektronpályák szimmetriájától) a szerkezethez orientált pl. triptofán aminosav: a molekula sikjában
Fotoszelekció: poláros fény elektromos térerősség vektora azokat az
elektronokat gerjeszti, ahol a keltett dipólus-momentum és a térerősség vektor iránya (közelitőleg) megegyezik. Emisszióban is dipólus-jelleg érvényesül.
A két cirkulárisan poláros komponens törésmutatóban és abszorbanciában is különbözik a kölcsönhatás után Æ az eredő elliptikusan polárossá válik
Polarizált gerjesztés
Álló molekula
Polarizált emisszió
Az emisszió polarizációfokának (p) mérése
IVV-IVH p= IVV+IVH V vertikális polarizáció H horizontális
Ha a molekula a gerjesztett állapot ideje alatt elfordul az emisszió polarizációja csökken Beágyazó környezet (pl. plazmamembrán ) fluiditásának jellemzése
A fény forrásai , lézerek, biológiai hatások
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 Nem gazdaságos!
Wolfram szál spektruma (Sollux lámpákban)
Halogén gáz töltet a szál párolgása ellen
M : teljes kisugárzott intenzitás – az emissziós spektrum görbe alatti területe
Fény-keltő mechanizmusok és fényforrások A Nap sugárázásának UV tartományát a légkör elnyelése szűri ki O3 tartalom!
2. 1.Lumineszcencián Metal vapour (e.g. Hg) lamps alapuló fényforrások Alapja: gázkisülési csövekben keltett elektrolumineszcencia -
-
(az üvegbúra elnyeli az UV fényt, a kvarz nem)
+
-Alacsony nyomású fémgőz-lámpák Pl. - Na-lámpa sárga fénye - germicidlámpa: alacsony nyomású higanygőz vonalas emissziós spektruma 254 nm-en elnyelődik baktériumok genetikai állományában
sterilizáló hatás -Ívlámpák nagy nyomású Hg, Xe vagy Na-lámpák, ionizált plazma ívkisülése folytonos spektrum jellegzetes vonalakkal
Fémgőz lámpák
- Fénycsövek Pl. alacsony nyomású Hg gőz
+
Kisnyomású Na-gőz lámpa emissziós spektruma
_
Falra párologtatott vékony réteg bevonat
Üvegfalú cső
Jó fényhozam kompakt csövek
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
Erythema lámpa : λ a 280 – 320 nm közeli UV- tartományban, uviol üvegfal
Hg-gőz lámpa
Speciális fényforrások: lézerek indukált és spontán emisszió - Modern megoldás világításra: szilárd félvezető diódák
LED+
p
Light Emitting Diode
n
-
Spontán emissziós fény : Az egyes elektronátmenetek térben és időben rendezetlenül, véletlenszerűen történnek. Az egyes hullámvonulatok fázisa egymástól független. A fény „inkoherens”
Indukált emissziós fény:
Áram hatása: pl. lyukak diffundálnak az n-tipusú félvezető vegyértéksávjába Æ rekombináció a vezetési elektronokkal Æ fényemisszió
A fényfotonok emisszióját az emittálandó fotonenergiával azonos energiájú foton jelenléte indukálja. A kibocsátott hullámvonulat a kiváltóval azonos fázisban lép ki, együtt koherensek
A lézerek működési elve – indukált fényemisszió
Átmeneti valószínűségek Einstein együtthatók: Bag abszorpció Bga indukált emisszió Aga spontán emisszió
ΔJ ' = K1 (hf )[B21 N 2 − B12 N1 ]J ' Δt
ΔJ ' = K1 (hf ) B[N 2 − N1 ]J ' Δt Δt = Δx c ΔJ ' = K [N 2 − N1 ]J ' Δx
gerj
Ba,g
Fényerősítés indukált emisszióban --- populáció inverzió
Bg,a Ag,a
J ' = J 0 ' e − μx
Populáció-inverzió Æ fényerősítés
μ = K ( N1 − N 2 )
alap
Feltétel:
hf = ΔE ga
2 állapotú rendszerben nem alakul ki
Termikus egyensúly: abszorpciók száma= spontán és indukált emissziók száma/idő
fotonsugárzás jelenléte
B1, 2 N1 J ' = B2,1 N 2 J '+ AN 2 B1, 2 = B2,1
LASER: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation 1961, Rubin-lézer HOGYAN VALÓSÍTHATÓ MEG? Feltételek
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
A lézerek működési feltételei
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
A lézerek működési feltételei Fényerősítés indukált emisszióval
A lézerek működési feltételei Az optikai rezonátor
Populáció inverzió mellett a rendszer a
hf= Em-E0
fotonenergiájú sugárzást
erősíti, ilyen foton indukálja az emissziót
Nm nagy
Erősíti a lézer tengelyével egyirányú sugárzást Leszűkíti az emisszió hullámhossztartományát 99.9%
99%
L=mλ 2
néhány spontán emisszió E0-ra
fényerősítés
állóhullámok kialakulása
