Физика в медицине

Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфорд открыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (б-частицы) и отрицательно заряженные в-частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (г-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940г. К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым.

Альфа-распад состоит в самопроизвольном превращении ядер с испусканием б- частиц (ядра гелия).

Схема б- распада записывается в виде



где Х, Y - символы материнского и дочернего ядер соответственно. При записи б-распада вместо «б« можно писать «Не».

При этом распаде порядковый номер Z элемента уменьшается на 2, а массовое число А - на 4.

При б- распаде дочернее ядро, как правило, образуется в возбужденном состоянии и при переходе в основное состояние испускает г-квант. Общее свойство сложных микрообъектов заключается в том, что они обладают дискретным набором энергетических состояний. Это относится и к ядрам. Поэтому г- излучение возбужденных ядер обладает дискретным спектром. Следовательно, и энергетический спектр б- частиц является дискретным.

Энергия испускаемых б- частиц практически для всех б- активных изотопов лежит в пределах 4-9 МэВ.

По сравнению с другими частицами альфа-частицы являются физически и электрически достаточно большими, состоящими из четырех нуклонов и двух положительных зарядов. Во время движения альфа-частиц через поглотитель, они воздействуют электрическими силами на орбитальные электроны атома поглотителя. Орбитальные электроны переводятся на более высокие энергетические оболочки или покидают атом, образуя ионные пары.

Альфа-частицы могут передавать большое количество энергии поглотителю при малой длине пробега и производить большое количество ионных пар. Например, альфа-частица с энергией 3.5 МэВ имеет пробег приблизительно 20 мм и производит около сто тысяч пар ионов в воздухе. Альфа-частица с такой же энергией пройдет в биологической ткани приблизительно 0.03 мм (или 30 мкм).

Альфа-частицы являются наименее проникающим излучением. Пробег альфа-частиц будет важен позднее, когда мы будем рассматривать проблемы, с которыми сталкиваются при мониторинге альфа-излучения, или когда мы будем рассматривать, насколько велика опасность, связанная с альфа-частицами внутри и вне организма человека.

40. Лазеры. Виды лазеров. Спонтанное и индуцированное излучение. Свойства лазерного излучения

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в котором создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Л.А.З.Е.Р. - с англ. усиление света с помощью вынужденного излучения.

Оптический квантовый генератор, превращает энергию накачки в энергию когерентного монохроматического поляризованного узкого направления. Эйнштейн ввел понятие вынужденного излучения. В1939 г. к выводу о возможности усиления света при прохождении через вещество пришел русский ученый Фабрикант.

Условия для работы. Принцип.

- вынужденное излучение. При взаимодействии фотона с возбужденной молекулой происходит усиление света. Число вынужденных переходов зависит от числа падающих в секунду фотонов и числа возбужденных электронов.

- инверсная населенность энергетических уровней - состояние, когда на более высоком энергетическом уровне находится больше частиц, чем на более низком. Активная среда - среда, приведенная в состояние инверсной населенности. Создать ИН можно только выведя из состояния ТД равновесия (методы накачки)

1) оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

2) электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический заряд.

3) инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует эл. ток.

4) химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию хим. реакций между компонентами смеси.

Устройство лазера:

1) рабочее тело - среда, которая внешним воздействием приводится в активное состояние

2) система накачки - устройство для приведения рабочего тела в активное состояние

3) оптический резонатор - два плоских зеркала, обращенных друг к другу. За счет многократного отражения происходит лавинообразное излучение фотонов. Когда интенсивность достигает определенной величины, начинается генерация лазерного излучения.

Особенности лазерного излучения:

1) высокая монохроматичность

2) когерентность - постоянство разности фаз фотонов

3) высокая интенсивность до 1014-1016 Вт/кВ.см.

4) коллимированность

5) поляризованность - ЛИ только в одной плоскости.

6) высокая мощность до 10 (в 5 ст) Вт.

Рубиновый лазер.

Рабочее тело - окись Al + 0,05% окись хрома, система накачки - оптическая, длина волны = 694,3 нм. Al имеет 2 энергетических уровня (основной и возбужденный). Т = 10 (в -8 ст) с. Хром имеет 3 энерг.уровня (основной, возбужденный, промежуточный), Т = 10 (в -3ст) с. Al передает свою энергию атомам хрома , помогает возбуждаться. Хром - активная среда.

Гелий-неоновый лазер.

Рабочее тело - смесь газов гелия и неона в соотношении 10 : 1. Давление 150 Па. Атомы неона - излучающие, гелия - вспомогательные. Система накачки - эл. разряд. Длина волны = 632,8 нм.

Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос.

Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон - зелёное.

Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками.

В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движением.

41. Блок-схема лазера. Принцип работы гелий-неонового и рубинного лазера

1) активного вещества; 2) источника накачки, приводящего активное вещество в возбужденное состояние; 3) оптического резонатора, состоящего из двух параллельных друг другу зеркал (рис. 20)

Рис. 20. Блок-схема лазера, 1 - рабочее (активное) вещество; 2 - оптический резонатор; 3 - источник накачки.

Гелий-неоновый лазер -- лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.

Рис. 21

Устройство гелий-неонового лазера

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000ч5000 вольт (в зависимости от длины трубки), расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал-- полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1% падающего излучения на выходной стороне устройства.

Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора-- от 15см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 100 мВт.

Принцип действия

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре-- электрический разряд.

В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов. При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия ¹S₀ и излучательного уровня неона 2p⁵5s І[1/2] оказываются примерно равными-- 20.616 и 20.661 эВ соответственно. Передача возбуждения между двумя этими состояниями происходит в следующем процессе:

He* + Ne + ДE > He + Ne*

и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние, а ДE-- различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0.05 эВ берутся из кинетической энергии движения атомов. Заселённость уровня неона 2p⁵5s І[1/2] возрастает и в определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p⁵3p І[3/2]. Наступает инверсия заселённости уровней-- среда становится способной к лазерной генерации.

При переходе атома неона из состояния 2p⁵5s І[1/2] в состояние 2p⁵3p І[3/2] испускается излучение с длиной волны 632.816 нм. Состояние 2p⁵3p І[3/2] атома неона также является излучательным с малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней 2p⁵3s а затем и в основное состояние 2p⁶-- либо за счёт испускания резонансного излучения (излучающие уровни системы 2p⁵3s), либо за счёт соударения со стенками (метастабильные уровни системы 2p⁵3s).

Кроме того, при правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других длинах волн: тот же уровень 2p⁵5s І[1/2] может перейти на 2p⁵4p І[1/2] с излучением фотона с длиной волны 3.39 мкм, а уровень 2p⁵4s І[3/2], возникающий при столкновении с другим метастабильным уровнем гелия, может перейти на 2p⁵3p І[3/2], испустя при этом фотон с длиной волны 1.15 мкм. Также возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм (жёлтый) или 612 нм (оранжевый).

Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим телом лазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием доплеровского смещения. Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения для использования в голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрих-кодов.

Рубиновый лазер

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома Cr³⁺. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого -- отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10--25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы поглощения этого уровня составляет около 800 А.

С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов.

Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения. Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызываемые несовершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет нарастать, а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси рубина .

Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколько-нибудь заметной генерации.

Именно многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную мощность.

42. Механизмы биологического действия лазерного излучения. Использование лазеров в медицине. Устройство и принцип работы аппарата для лазерной терапии «Орион» (терапевтические эффекты, способы облучения)

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности и энергии излучения на единицу облучаемой поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты следования импульсов, времени облучения и др.). При воздействии на организм данный вид радиации обуславливает сочетанный термический и механический эффект, вызывающий разрыв тканей и изменение их генетических, ферментативных и других свойств. Однако критическим органом, подвергающимся наибольшей опасности при этом воздействии является глаз, изменение глазного дна и снижение тем новой адаптации. Вместе с тем при небольшой интенсивности радиации имеют место функциональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринного аппарата и изменения периферической крови, которые, как правило, носят обратимый характер. При применении лазеров возросла опасность повреждения кожных покровов и даже внутренних органов.

Применение лазеров в медицине.

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция - приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.

Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

Орион

В настоящее время лазерная терапия признана одним из наиболее эффективных и безопасных методов лечения. Она отличается длиннейшим перечнем показаний к применению и может быть прописана пациентам любого пола и возраста. Помимо лечебного эффекта лазера, лазерные процедуры позволяют исключить побочное действие лекарств и одновременно усиливать их терапевтический эффект. Внедрение лазеров в медицину приносит большой социально-экономический эффект. Лазерные приборы сегодня стали востребованы не только врачами, но и пациентами, врачами из-за высокой эффективности лечения, а пациентами еще и в силу своей занятости, и невозможности посещать поликлинику, поэтому многие покупают аппараты лазеротерапии для применения в домашних условиях. Одним из наиболее удачных примеров созданных приборов является представленный образец. Орион-5 идеально подходит для лечения пациентов всех возрастов. Впервые появившись в 1993 году, первая модель устройства сразу же получила разрешение Минздрава России. Это обусловлено наличием таких свойств, как исключительная портативность, быстрота, комфортность и эффективность. Прибор показал высокую эффективность лечения самых разнообразных заболеваний:

· артрозов;

· артритов;

· атеросклероза;

· остеохондрозов;

· варикозного расширения вен;

· трофических язв;

· ишемической болезни сердца;

· гипертонии;

· астмы;

· бронхита;

· невритов;

· мигрени;

· аденомы;

· простатита;

· цистита;

· повреждений кожи и слизистых и многих других.

Принцип действия Лазерный аппарат Орион воздействует инфракрасным излучением на ткани и органы пациента. Проходящий далеко вглубь организма инфракрасный спектр света приносит с собой обезболивание, уменьшает интенсивность воспалительных процессов и значительно облегчает спазмы. Также он обладает стимулирующим эффектом для проходящих процессов регенерации и восстановления тканей. Помимо этого лазерный аппарат ускоряет обмен веществ и усиливает кровообращение в той части организма, которая подвергается воздействию. Сочетание нескольких положительных эффектов позволяет в значительной мере не только ускорить процесс выздоровления, но и сократить последующий восстановительный период.

Возможность использовать его на дому в случае, если обращение в специализированное лечебное заведение по каким-либо причинам невозможно, дает отличные шансы больным на выздоровление. Простота использования аппарата лазерной терапии позволяет использовать его каждому: чтобы пользоваться Орионом, не требуется никаких специальных умений или навыков. Компактные размеры, исключительное удобство и широкая область применения завоевали ему огромную популярность. Орион-5 абсолютно безопасен в эксплуатации и практически не имеет противопоказаний (исключение составляют острые формы желчнокаменной болезни, лихорадки, ношение кардиостимулятора, а также беременность, осложненная сильным токсикозом). Этим устройством можно проводить лечебные процедуры, всем членам семьи, включая пожилых родителей и маленьких детей.

43. Морфофункциональные слои сетчатки глаза. Первичные механизмы свето и цветовосприятия. Понятия о «первичных зрительных образах»

Сетчатка - это светочувствительный слой, воспринимающий свет и преобразующий его в нервные импульсы. Представляет собой разветвление зрительного нерва с нервными окончаниями в виде палочек и колбочек.

Микроскопически в сетчатке различают слои:

- пигментный эпителий поглощает и трансформирует лучи света, устраняя их дифференциальное рассеивание внутри глаза.

- слой палочек и колбочек - 1 нейрон сетчатки. Палочки - правильные цилиндрические образования (120 млн), не воспринимают различия в цвете и мелкие детали, но высокочувствительны к слабому свету в сумерках и ночью. Содержат родопсин. Колбочки имеют форму бутылки (10 млн), содержат йодопсин. Служат для восприятия мелких деталей и различения света. Палочки и колбочки неравномерно распределены. В центральной части сетчатки преобладают колбочки, по краям - палочки.

- слой биполярных клеток - 2 нейрон сетчатки

- слой ганглиозных клеток - 3 нейрон сетчатки

- слой нервных волокон состоит из осевых цилиндрических ганглиозных клеток, которые образуют зрительный нерв.

- внутренняя пограничная мембрана покрывает все глазное дно и отделяет сетчатку от стекловидного тела.

Физиологическое значение сетчатки определяется ее световоспринимающей и светопроводящей функцией. Трансформация световой энергии осуществляется благодаря сложному фотохимическому процессу, сопровождающемуся распадом фотореагентов с последующем восстановлением при участии витамина А и др. веществ.

Фоторецепторы самого глубокого слоя сетчатки воспринимают свет и передают импульсы на ганглиозные клетки. Их аксоны проходят по поверхности сетчатки и собираются в пучок у слепого пятна, образуя волокна зрительного нерва. Позади рецепторов находится слой клеток, содержащих черный пигмент меланин, который поглощает свет, прошедший через сетчатку, не давая ему отражаться назад и рассеиваться внутри.

44. Основные фотометрические характеристики: световой поток, сила света, освещенность и единицы их измерений

Зрительное ощущение глаза зависит не только от мощности излучения, но и от спектральной чувствительности глаза (коэффициент видности), поэтому вводится величина - световой поток Ф.

Ф = W*V,

где W - мощность световой энергии, V - коэф. видности.

[Ф] = 1 люмен (Лм).

Люмен - это световой поток, излучаемый точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.

Ф = I*?.

Понятие силы света вводится с помощью представления о точечном источнике света. Точечный источник - если его размер мал по сравнению с расстоянием до места наблюдения и если он испускает свет равномерно по всем направлениям.

Телесный угол - это часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Величина телесного угла измеряется отношением площади вырезанной этим углом на поверхность сферы (с центром О в вершине этого угла) к квадрату радиуса сферы.

? = S/R(в кВ).

[?] = стерадиан (ср).

Сила света измеряется световым потоком, создаваемым точечным источником света в единичном телесном угле.

I = Ф/ ?

[I] = кандела (кд)

Для количественной оценки освещения поверхности вводится понятие освещенности.

Освещенность Е поверхности S - это отношение светового потока, падающего на данную поверхность к величине этой поверхности

Е = Ф/S.

[Е] = люкс (лк)

Люкс - это освещенность поверхности площадью 1 кв.м. световым потоком в 1 лм, падающим перпендикулярно поверхности.

45. Люксиметр. Опр. Освещенности, расчет освещенности

Люксметр-Ю116 предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра. Люксметр состоит из измерительного устройства (чувствительный гальванометр) и фотоэлемента с насадками.

Принцип действия основан на явлении фотоэлектрического эффекта (превращение световой энергии в электрическую), который имеет место при попадании света на поверхность фотоэлемента, включенного в замкнутую сеть с электроизмерительным прибором. Величина, возникающая в цепи тока, от которой зависит величина отклонения стрелки прибора, пропорциональна освещенности на рабочей поверхности фотоэлемента. Шкала прибора градуирована в единицах освещенности - люксов.

Освещенность - отношение светового потока, падающего на данную поверхность к величине этой поверхности.

Е = Ф/S

Для определения необходимого количества светильников по таблице находят удельную мощность (Вт/кВ.м). Умножают ее на площадь помещения и делят на мощность одной лампочки (40 Вт).

46. Физическая природа света. Поглощение света. Закон Бугера. Закон Бугера-Бера. Коэффициент светопропускания, оптическая плотность вещ-ва

Природа света является двойственной:

- корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц - квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, при чем минимальная порция энергии имеет величину Е=hню, где ню - это частота, соответствующая частоте излучаемого света, а h - это постоянная Планка. Использование представлений о свете как о потоке частиц объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.

- волновая теория света, берущая начала от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты, как результат сложения (интерференции этих волн). При этом считается, что в отсутствии перехода энергии излучения в другие виды энергии эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что вызвавшая в некоторой области пространства интерференционное явление, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Использование представлений о свете как о волне, позволяет объяснить явление, связанное с интерференцией и дифракцией.

Поглощение света- это уменьшение интенсивности оптического излучения при прохождении через какую-либо среду за счет взаимодействия с ней, в результате которой световая энергия переходит в другие виды энергии или в оптическое излучение другого спектрального состава. Основным законом поглощения света, связывающим интенсивность света I, прошедшего слой поглощающей среды толщиной L с интенсивностью падающего пучка I0, является закон Бугера.

I=Io*e(в ст. xl) ,

где х(лямб) - показатель поглощения.

В каждом последующем слое среды одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии, падающей на него световой волны, независимо от его величины.

Закон Бугера-Бера - это закон поглощения света, согласно которому светопоглощение пропорционально толщине поглощающей среды и концентрации поглощающего вещества.

Х(лямб) = Хс*С,

где Хс - монохроматический показатель поглощения отн. к концентрации вещества.

Отсюда:

I = Io * e(в ст. Хс*С)

Коэффициент пропускания - отношение интенсивности света, прошедшего слой вещества толщиной L к интенсивности входящего в среду света.

t = IL/I0

Оптическая плотность вещества равна D = ln1/t = lnI0/t = xcL. где х - монохроматический натуральный показатель поглощения, с - концентрация раствора.

47. Фотоэлектроколориметрия: принцип метода, применение. Методика определения концентрации вещества с помощью фотоэлектроколориместра

Фотоэлектроколориметрический метод определения концентрации веществ в растворе очень широко применяется в клинической лабораторной диагностике. Например, количественное определение белка в моче, определение концентрации гемоглобина в крови и т.д. В основе фотоэлектроколориместра лежит закон поглощения света веществом. КФК-2 колориметр фотоэлектрический концентрационный предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности жидких растворов и твердых тел, а также определения концентрации веществ в растворах методом построения градировочных графиков, в отдельных участках диапазона длин волн (315 - 980 нм), выделяемых светофильтрами. Колориметр позволяет также производить измерения коэффициентов пропускания рассеивающих взвесей, эмульсий и коллоидных растворов в проходящем свете.

Коэффициент пропускания - отношение интенсивности света, прошедшего слой вещества толщиной L к интенсивности входящего в среду света.

t = IL/I0

Оптическая плотность вещества равна

D = ln1/t = lnI0/t = xcL.

где х - монохроматический натуральный показатель поглощения, с - концентрация раствора.

Принцип работы КФК-2:

Световой поток от источника света (1), конденсатором (2) через светофильтр (3) направляется на кювету с исследуемым раствором (4)

Рис. 24

Световой поток, прошедший через кювету с раствором, преобразуется в эл. сигнал с помощью фотоприемников (5).

В качестве фотоприемников используют:

1) Фотодиод ФД-24 К для работы в спектральном диапазоне от 590 до 980 нм.

2) Фотоэлемент Ф-26 для работы в спектральном диапазоне от 315 до 540 нм.

Полученный электрический сигнал подается на усилитель постоянного тока и затем на измерительный прибор, показания которого пропорциональны световому, проходящему через исследуемый раствор.

Определение концентрации вещества в растворе:

Для определения концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность в работе.

1) Выбор светофильтра

Наличие в колориметре узла светофильтров и набора кювет позволяет подобрать такое их сочетание, при котором погрешность в определении концентрации будет наименьшей. Для выбора светофильтра необходимо налить раствор в кювету и определить оптическую плотность всех светофильтров. По полученным данным построить кривую, откладывая по горизонтальной оси длины волн, соответствующие максимальному коэффициенту пропускания светофильтров, а по вертикальной оси - соответствующие значения оптической плотности раствора. Отметить тот участок кривой, для которого выполняются следующие условия:

1. Оптическая плотность имеет максимальную величину.

2. Ход кривой примерно параллелен горизонтальной оси, т.е. оптическая плотность мало зависит от длины волны.

Если эти условия выполняются для нескольких светофильтров, то выбрать из них тот, для которого чувствительность колориметра выше.

2) Выбор кювет

Предварительный выбор кювет проводится визуально, соответственно интенсивности окраски раствора. Если раствор интенсивно окрашен, следует пользоваться кюветами с малой рабочей шириной. В случае окрашенных растворов рекомендуется работать с кюветами большей рабочей ширины.

3) Построение градировочной кривой для данного вещества

а) Измерить оптические плотности всех растворов, концентрации которых вам известны, на выбранной длине волны

б) Построить градировочную кривую, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной - соответствующие им значения оптической плотности.

4) Определение концентрации вещества в растворе.

а) Налить раствор неизвестной концентрации в ту же кювету, для которой построена градировочная кривая и, включив тот же светофильтр, определить оптическую плотность раствора.

б) По градировочной кривой найти концентрацию, соответствующую измеренному значению оптической плотности.

Размещено на Allbest.ru

...