Martina Viková. unit of time

Viková, M. : ZÁŘENÍ

Záření Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, [email protected]

time

unit of time

Přednášky z : Textilní fyzika


Definice záření

• Záření je vysílání nebo přenos energie v podobě elektromagnetických vln nebo částic-fotonů. Libovolné záření lze rozložit na složky se sinusovým průběhem. Každá složka je charakterizována jedinou frekvencí případně vlnovou délkou,přičemž platí:

λ = c0 .ν Přednášky z : Textilní fyzika

−1


Definice světelného záření

• Pod pojmem světelné záření se rozumí viditelné záření, které je zhodnoceno zrakovým orgánem pozorovatele podle citlivosti oka k záření různých vlnových délek, přičemž platí,že viditelné záření je jakékoliv optické záření schopné přímo vyvolat vizuální počitek.



Přehled kmitočtového spektra elektromagnetického záření

S – blízké, M – střední, L – vzdálené, IR – infračervené, UV – ultrafialové. Přednášky z : Textilní fyzika










Teorie světla Všechny zdroje světla pracují na stejném principu: foton je emitován atomem při přechodu elektronu na nižší hladinu, při přechodu z vybuzeného do základního stavu. Vznik světla je možné vysvětlit jen v rámci kvantové fyziky. Nelze jej vysvětlit v rámci elektromagnetické teorie. Tato teorie rovněž selhává při vysvětlení činnosti detektorů světla, ale je velice funkční pro popis šíření světla prostorem a prostředím. Detekci světla lze vysvětlit zase jen v rámci kvantové fyziky.

Pro šíření světla prostředím je podstatná jen elektrická složka E elektromagnetické vlny. Ta odpovídá za index lomu, rozptyl světla a jiné procesy (např. stimulovaná emise fotonů). Obě složky jsou svázány Maxwellovými rovnicemi, tj. nejsou nezávislé. Přednášky z : Textilní fyzika


Zdůvodnění tohoto tvrzení lze opřít o silové působení elektromagnetické vlny, to je veličin E a B na atomy. Pro odhad maximální velikosti této síly F postačí odhadnout silu,která působí na elektron pohybující se rychlostí v:

F = Fe + Fm = eE ± evB sin α Z Maxwellových rovnic plyne, že B=E/c . Maximální velikost pak bude dána vztahem:

Fmax

E v = eE + ev = eE (1 + ) ≅ eE = Fe c c

Předpoklad, že v/c << 1, je pro pohyb elektronů kolem jádra dobře splněn. Výsledné silové působení určuje tedy jen elektrická složka, magnetickou není třeba uvažovat. Přednášky z : Textilní fyzika


Planckův zákon



Spektrální průběh záření černého tělesa 1,00E+14

1500

9,00E+13

3000 4500 6000

Absolute Irradiance [W/m-2/m]

8,00E+13

7,00E+13

6,00E+13

5,00E+13

4,00E+13

3,00E+13

2,00E+13

1,00E+13

0,00E+00 100

300

500

700

900

1100

1300

1500

Wavelenght [nm ]


1700

1900

2100

2300

2500


Zdroje světla (1) Žárovka

Zářivka

V případě žárovky svítí wolframové vlákno, které se ve skleněné baňce žhaví elektrickým proudem.V baňce je vakuum nebo netečný plyn, aby vlákno neshořelo. Atomy vlákna jsou buzeny vzájemnými srážkami, které vyvolává vysoká teplota.

V případě zářivky svítí stěny trubice, na nichž je nanesena látka - luminofor, jejíž atomy jsou buzeny jednak ionty plynu, jednak fotony, které vznikají při elektrickém výboji v plynové náplni uvnitř trubice. Tento proces vzniku světla se nazývá luminiscence. Přednášky z : Textilní fyzika


Zdroje světla (2)

Výbojky

Lasery

V křemenné baňce, kde je například kapka rtuti, vznikne elektrický výboj a tím se odpaří i zbytek rtuti. Atomy rtuťových par jsou buzeny vzájemnými srážkami při elektrickém výboji. Takovým zařízením se říká výbojky. Náplň mohou tvořit i jiné plyny při sníženém tlaku.

Lasery tvoří aktivní prostředí a optický rezonátor vyvolávající stimulovanou emisi fotonů. U všech výše uvedených zdrojů šlo o spontánní (náhodnou) emisi fotonů. Název laser je zkratka slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER. Přednášky z : Textilní fyzika


Princip činnosti laserů (1) Laser = aktivní prostředí + optický rezonátor Schéma potenciální energie elektronů v atomu E

E

(+)

(+)

0

0

(-)

neobsazené hladiny hladiny obsazené elektrony

(-)

Obsazená hladina

Neobsazená hladina

STABILNÍ STAV

NESTABILNÍ STAV

Doba života = nekonečno

Doba života < 1 μs



Princip činnosti laserů (2) E

Obsazená hladina

(+) 0

(-)

Neobsazená hladina

ΔE = hν = hc/λ METASTABILNÍ STAV Doba života >~ 1 ms

Přechod atomů z nestabilního ( i metastabilního) stavu do stabilního stavu se děje tzv. spontánní emisí fotonů s energií hν. Stabilní jsou jen stavy s minimální potenciální energií (elektrony jen na nejnižších hladinách). Pro viditelné světlo je ΔE = 2 až 4 eV

Ale ! Metastabilní stav atomů

+

Elektrické pole o frekvenci ν Přednášky z : Textilní fyzika

Stimulovaná emise fotonů s energií hν


Princip činnosti laserů (3) Optický rezonátor λ/2

Z1

Z2

E(νt)

L = M λM / 2= Mc/2νM

1. 2. 3.

Z1 a Z2 jsou rovnoběžná zrcadla s odrazivostí větší než 99%. Délka rezonátoru L je M násobkem půlvlny (M je celé číslo). Délce L odpovídají vlastní frekvence rezonátoru νM (podélné módy laseru). Uvnitř rezonátoru je stojaté vlnění elektrického pole E o frekvenci νM = c/λM Přednášky z : Textilní fyzika


Druhy laserů Vlastnosti aktivního prostředí Excitace atomů do metastabilního stavu

Srážkami mezi atomy dvou druhů (He-Ne, CO2) Optickou excitací - čerpáním (rubín, neodymové sklo) Excitací při chemické reakci (eximery) Průchodem elektrického proudu (polovodiče,GaAs) a jiné způsoby

Světelný výkon laserů:

1. 2.

Kontinuální laser až desítky mW Pulsní laser při středním výkonu 10 mW může mít parametry: • délka pulsu = 1 ns, • energie v pulsu = 1 MJ, • opakovací frekvence = 10 Hz Přednášky z : Textilní fyzika


Lom světla

θ1 n1 n2

θ2 Snellův zákon: n1sinθ1= n2sinθ2 (Or, if θ1 and θ2 are small, n1θ1= n2θ2) Přednášky z : Textilní fyzika


Totální odraz světla

α

n1

αm

R = 100%

n2 sin α m = n1

n2 rozhraní

Mezní úhel existuje pro n1 > n2. Odrazivost je 100%, když platí α > αm

Aplikace totálního odrazu: 1. totálně odrážející hranoly (triedry) 2. děliče optických svazků 3. světlovody 4. optická vlákna ve sdělovací technice



Odrazivost a absorpce Při průchodu světla světlo-propustnými materiály dochází k odrazu, absorpci a rozptylu světla. Odrazivost R světla na rozhraní závisí obecně na úhlu dopadu, Při dopadu kolmo na rozhraní je dána jednoduchým vztahem:

( n1 − n 2 ) 2 Ir * 100 % R = = 2 ( n1 + n 2 ) I0 Ztráta intenzity absorpcí průchodem přes vrstvu tloušťky d s koeficientem lineární absorpce μ(λ) :

I A = = e − μ d * 100 % I0

d

μ 4%

4%

100% n1 = 1

n2 = 1,5

92% - A

Absorpce v přímém směru je důsledek: 1. fotoefektu (fluorescence, růst teploty) 2. rozptylu světla v nehomogenním prostředí



Základní veličiny • Míra fyzikálně-chemických účinků záření na látku - úměrná koncentraci iontů vzniklých v daném objemu látky. Koncentrace iontů - úměrná energii záření v daném objemu látky absorbované. • Absorbovaná dávka D - energie ionizujícího záření absorbovaná v daném místě ozařované látky na jednotku hmotnosti. D = DE / Dm , DE - střední energie ionizujícího záření absorbovaná objemovým elementem látky, Dm - hmotnost objemového elementu. Jednotkou absorbované dávky je 1J /1kg = 1Gray



Z hlediska biologických účinků se ionizujícího záření dělí podle hustoty ionizace: - řídce ionizující - záření X, gama, beta. - hustě ionizující - záření alfa, neutronové záření, protonové záření. Jakostní faktor Q ("relativní biologická účinnost") - kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než záření fotonové - X nebo gama (za základ se bere rentgenové záření o energii 200keV). Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka) v uvažované tkáni je dán součinem absorbované dávky D v daném místě a jakostního faktoru Q: H=Q.D. Jednotkou dávkového ekvivalentu je 1 Sievert [Sv].



Mechanismy účinku záření na živou tkáň • Fyzikální stadium Při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech za vzniku ionizace a excitace • Fyzikálně-chemické stádium Sekundární fyzikálně-chemické procesy interakce iontů s molekulami – disociace molekul a vznik volných radikálů • Chemické stádium Vzniklé ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami a mění jejich složení a funkci. • Biologické stádium Molekulární změny v biologicky důležitých látkách (v DNA, enzymech, proteinech) - funkční a morfologické změny v buňkách, orgánech i v organismu jako celku. Přednášky z : Textilní fyzika


Zásahová teorie "přímého účinku" • poškození důležité části buňky, především jádra, nastává při přímém zásahu kvantem záření • dochází k lokální absorpci energie, ionizaci a následné chemické změně zasažené struktury • mechanismus má pouze druhořadý význam, pravděpodobnost takových "přímých zásahů" je poměrně nízká • citlivost živé tkáně k záření by byla podstatně menší než se pozoruje.



Radikálová teorie "nepřímého účinku" • každý organismus je složen především z vody, v níž jsou rozptýleny biologicky aktivní látky. • Interakce záření s živou tkání - především na molekulách vody. • Vlivem ionizace dochází k radiolýze vody - vznikají velmi reaktivní volné radikály H, OH a produkty schopné oxidace (H2O2, HO2). • Reaktivní zplodiny napadají organické molekuly biologicky důležitých látek a chemicky je pozměňují či destruují.



Biochemické změny: • mění strukturu důležitých makromolekul - porucha funkce Biologické změny: - bílkoviny - po ozáření nastává změna až koagulace, nejcitlivější bílkovina obsahující SH (sulfidickou) skupinu za přítomnosti O2 - nukleové kyseliny - přerušení vodíkových můstků, vznikají nové vazby a buňka nemůže plnit svou funkci - zlom: jednoduchý - kontinuita v místě 1 vlákna (reparace) x dvojitý - porucha funkce - enzymy - po ozáření dojde k anihilaci - ztrátě funkce - buněčné membrány - změny vlastností vedoucí k poškození a zániku buněk, a k poškození tkání a orgánů. Přednášky z : Textilní fyzika

je


UV-záření • • • • • • • • • • • • •

200~800 nm 600~150 kJ/mol Energie o stejné úrovni jaká je energie příslušníé vazby - kovalentní vazba: 250~400 kJ/mol C-H ; 414 kJ/mol C-C ; 346 kJ/mol H-H ; 432 kJ/mol C=C ; 615 kJ/mol - Anorganické sloučeniny Ni(CO)4 → Ni(CO)3 + CO ; ~105 kJ/mol Fe(CO)5 → Fe(CO)4 + CO ; ~172 kJ/mol - Organokovové sloučeniny Re-CH3 in CH3Re(CO)5 ; ~223 kJ/mol Mn-CH2Ph in PhCH2Mn(CO)4P(OAr)3 ; ~118 kJ/mol Přednášky z : Textilní fyzika


Sluneční záření může způsobovat rakovinu kůže :

Actinická keratóza

Lentigo maligní melanom



Sluneční záření

Atmosférická absorpce je velmi výrazná u dlouhých vzdáleností. Ale pro vzdálenosti menší než 100 m je prakticky zanedbatelná Přednášky z : Textilní fyzika


UV Záření



Diagram rozložení UV indexu nad Evropou



Druhy kůže : 1MED Typ kůže (popis)

Označení

Reakce na slunění

Ochranná reakce kůže

Čas pro první expozici bez reakce 200 Jm-2

I. (kůže nápadně světlá, pihy husté, vlasy rezavé, oči modré, zřídka hnědé; prsní bradavky velmi světlé)

Keltský typ (2 %)

II. (kůže trochu tmavší než I., pihy řídké, vlasy blond až hnědé, oči modré, zelené, šedé; prsní bradavky světlé)

Evropan se světlou pletí (12%)

III. (kůže světlá, světle hnědá; pihy žádné, pigmentové névy hnědé, prsní bradavky tmavší)

Evropan s tmavou kůží (78%)

IV. (kůže světle hnědá, olivová; pihy žádné, pigmentové névy tmavé, vlasy tmavé, oči tmavé, prsní bradavky tmavé)

vždy těžký

žádná červená kůže bez pigmentace, za 1 - 2 dny se loupe

5-10 minut

250 Jm-2 vždy silný

velmi slabá pigmentace, kůže se loupe

10-20 minut

350 Jm-2 zřídka mírný

Průměrná reakce s pigmentací

20-30 minut

450 Jm-2 Středomořský typ (8%)

téměř nikdy


rychlá reakce, hluboká pigmentace

40 minut


UV Index

UV-index je mezinárodně standardizovaná bezrozměrná veličina charakterizující úroveň erytemového slunečního ultrafialového záření dopadající na zemský povrch, vyjadřující biologický efekt na lidské zdraví.



Dávka UV MED (minimal erythemal dose) Používaným kritériem je stanovení minimální dávky ozáření, které způsobí mírné zčervenání kůže – tzv. střední erytémová dávka.



IN VIVO

It was used the "on-skin"-method: The sample was put directly on the skin. A sun simulator served as the radiation source. The sun protection factor is computed based on the quotient of the necessary minimal erythema dose (MED) of the covered to the uncovered skin.



UPF 1 Míra ochrany před UV zářením je počítána pomocí UPF (ultraviolet protection factor) nebo pomocí SPF (kosmetika…) Tyto faktory v sobě zahrnují vážený vliv UV záření na organismus (Eλ) a spektrální distribuci slunečního záření (Sλ) 400 nm

UPF =

∑ Eλ × Sλ × Δλ

290 nm 400 nm

∑ Eλ × Sλ × Tλ Δλ

290 nm

kde :

Eλ – erytemální spektrální úcinnost podle CIE Sλ – spektrální distribuce sluneční energie Tλ – spektrální transmise testovaného vzorku Δλ – šířka měřeného pásma Přednášky z : Textilní fyzika


UPF 2

Protection category Excellent Protection Very Good Protection Good Protection

UPF Ratings 40, 45, 50, 50+ 25, 30, 35 15, 20

UV Blocked more than 97,5% 95,9% to 97,4% 93,3% to 95,8

AS/NZS 4399:1996 AATCC 183:1998 and BS 7914:1998 – no specific rating

Vliv hustoty dostavy Přednášky z : Textilní fyzika


Spektrofotometrie –monochromatický osvit

Integrating sphere

Light source Monochromator

Optics

Slit Sample

Analytical spectrophotometry device


Photo multiplier tube


Spektrofotometrie- polychromatický osvit

Integrating sphere Light source

Diffraction grating

Slit Optics

Sample Přednášky z : Textilní fyzika

Photo diode Optics array


Regulární, difúzní a totální transmise

regulární transmise

difúzní transmise

totální transmise Přednášky z : Textilní fyzika


Podíl UV záření ve slunečním svitu

Solar spectral radiation Clear Sky

Cloudy Sky Přednášky z : Textilní fyzika


Spektrofotometrie LCAM UPF

Integrating sphere Light source

Diffraction grating

Slit Sample Optics UV filter


Photo diode Optics array


Transmise: BAVLNA-průměrné hodnoty 25

20

T%

15

10

5

0 280

300

320

340

360

380

nm bez úpravy Kachbrite-P slepa vzorka

kachbrite-Ba slepa vzorka Kachbrite-P 0,05%

Kachbrite-Ba 0,05% Kachbrite-P 0,1%


Kachbrte-Ba 0,1%

400


Chyby měření Systematika chyb: chyby

hrubé - vznikají hrubým zásahem do procesu měření, jejich velikost významně převyšuje rozptyl chyby statistické systematické - vznikají v důsledku chybných kalibrací, interpretací a pod., zatěžují stejným způsobem výsledek každého nezávisle opakovaného měření statistické - jsou důsledkem náhodných fluktuací, které se popisují metodami matematické statistiky Nejistota (výsledku) měření - uncertainty

CIMP -

Comité International des Poinds et Mesures (1981, 1985) ISO (Mezinárodní Organisace pro Normalisaci) – Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements (1993) US National Institute of Standards and Technology , Technical Note 1297 Přednášky z : Textilní fyzika

Martina Viková. unit of time

Recommend Documents