лекция 9 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Педиатрия к.п.н., доцент Шилина Н.Г. Красноярск, 2014 Тема: Взаимодействие света с веществом. Тепловое излучение. Кафедра медицинской и биологической физики

План лекции 1. Взаимодействие света с веществом: рефракция света. Волоконная оптика; поглощение света. Концентрационная колориметрия; рассеяние света. Нефелометрия; поляризация света. Поляриметрия. 2. Законы теплового излучения.

Рефракция света Явление преломления света (изменение скорости и направления света при переходе из одной среды в другую) называется рефракцией. абсолютный показатель преломления относительный показатель преломления

Законы преломления света: 1. Луч, падающий на границу раздела двух сред, перпендикуляр к поверхности в точке падения луча и преломленный луч лежат в одной плоскости.

2. Отношения синуса угла падения α к синусу угла преломления β лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой: а) свет переходит из среды оптически менее плотной в более плотную (например, из воздуха в воду) Угол падения больше угла преломления

б) свет переходит из среды оптически более плотной в менее плотную (например, из стекла в воздух ) Угол падения меньше угла преломления - предельный угол полного внутреннего отражения

Волоконная оптика Устройства, в которых используется явление полного отражения для передачи света, - волоконная оптика Ход лучей в световоде Пучок волокон (световод) Волоконный биопсийный сигмоидоколоноскоп Бронхоскоп Б-ВО-3-1

Поглощение света Ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии

Закон Бугера d Твердое тело dx I0I0 IdId dI=-k λ Idx; dI/I=-k λ dx I d =I 0 e -k λ d ; I d =I k λ d K λ – монохроматический натуральный показатель поглощения. K λ = 0,43 k λ

Зависимость интенсивности света, прошедшего через вещество, от толщины слоя IdId Od экспоненциальный вид

Закон Бера Раствор концентрацией С K λ =x λ C X λ – монохроматический удельный показатель поглощения.

Закон Бугера-Ламберта-Бера Раствор I0I0 IdId I d =I 0 e -χ λ cd I d =I χ λ cd χ λ =0,43χ λ

Коэффициент проппппускания Отношение интенсивности света прошедшего через вещество I d к интенсивности падающего света I 0.

I0I0 IdId I0I0 I d =0 Оптическая плотность раствора I d =I 0

Концентрационная колориметрия Метод определения концентрации вещества в окрашенных растворах по поглощению света В основе закон Бугера-Ламберта-Бера I d =I 0 e -xcd D= χ λ c 1 d 1 D= χ λ c 2 d 2 c1d1=c2d2c1d1=c2d2

Фотоколориметр Прибор, определяющий концентрацию окрашенных растворов

Спектры поглощения Зависимости k λ = f(λ) или χ λ = f(λ) Цвет вещества определяется спектром поглощения Зеленый – поглощаются все цвета кроме зеленого, а зеленый отражается

Спектры поглощения спектр поглощения вещества Зависимости ε, D, χ от длины волны λ характеризуют спектр поглощения вещества. Линейчатый Непрерывный

Рассеяние света Явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. I0I0 IdId

Рассеяние света Рассеяние света мутными средами Рассеяние света оптическими неоднородностями (флуктуации плотности) Явление Тиндаля Молекулярное I d =I 0 e -ml m – натуральный показатель рассеяния

Закон Рэлея Неоднородность d ~ 0,2λ I ~ 1/λ 4 – голубой цвет Неоднородность d > 0,2λ I ~ 1/λ 2 - серый цвет

Поглощение + рассеяние I d =I 0 e -μd μ=m+k

Нефелометрия Методы измерения рассеянного света с целью получения информации о рассеивающей системе.

Нефелометрия 1. Степень поляризации 2. Спектральный состав 3. Размеры макромолекул в растворах 4. Размеры частиц в эмульсиях, аэрозолях

Естественный свет

Естественный свет - это совокупность электромагнитных волн со всевозможными направлениями световых векторов Е, и все направления вектора равноправны.

Плоскополяризованный свет- это совокупность электромагнитных волн с одинаковой ориентацией всех световых векторов Е. Плоскость, в которой лежат световой вектор Е и направление распространения света, называется плоскостью поляризации.

Условные обозначения

Методы получения поляризованного света При отражении и преломлении на границе двух диэлектриков При двойном лучепреломлении Призма Николя Поляроиды

Поляризация при отражении и преломлении Закон Брюстера tg(i Б )=n 2 /n 1

Поляризация при двойном лучепреломлении

Призма Николя n e

Поляризатор- устройство, проппппускающее составляющую светового вектора, лежащую в определенной плоскости. Такая плоскость называется главной плоскостью поляризатора.

Анализатор поляризатор, используемый для анализа предварительно поляризованного света.

Закон Малюса Интенсивность света I пропппп, проппппущенного через анализатор, равна произведению интенсивности падающего плоскополяризованного света I пад, умноженной на квадрат косинуса угла между плоскостью поляризации и главной плоскостью анализатора. I пропппп = I пад cos 2 I пропппп = I пад cos 2

Закон Малюса

Поляризация в дихроичных кристаллах значительное поглощение обыкновенного луча по сравнению с необыкновенным лучом. Например, турмалин, герапатит Происходит при двойном лучепреломлении!

Оптически активные вещества L C Угол поворота плоскости поляризации проппппорционален толщине слоя L и концентрации вещества C: поворачивать способны поворачивать плоскость поляризации. C L C L

a 0 - удельное вращение, зависит от природы вещества, температуры и свойств растворителя численно равен углу поворота плоскости поляризации монохроматического светового луча с λ=589 нм, прошедшего раствор единичной концентрации (1 г/100 мл), находящейся в кювете единичной длины (1 дм) Закон Био:

Поляриметр (Сахариметр) измеряет величину вращения плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через оптически активное вещество. Используются в медицине для определения концентрации сахара в моче.

Поляриметры 1 – источник света; 2 – светофильтр; 3 – объектив; 4 – поляризатор; 5 – кварцевая пластина; 6 – кювета с раствором; 7 – анализатор; 8 – окуляр.

– это излучение нагретых тел, температура которых выше 0К. Тепловое излучение Ф(Вт) – поток излучения – энергетическая светимость

Характеристики теплового излучения спектральная плотность энергетической светимости коэффициент поглощения

Абсолютно черное тело

Серое тело Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым. В природе серых тел нет Тело человека считают серым для инфракрасной области спектра ( α=0,9)

Закон Кирхгофа ε λ – спектральная плотность энергетической светимости черного тела

Законы излучения черного тела энергетическая светимость абсолютно черного тела

Законы излучения черного тела закон Стефана-Больцмана закон (смещения) Вина постоянная Стефана-Больцмана постоянная Вина

Формула Планка Черное тело излучает и поглощает энергию квантами - постоянная Планка - скорость света в вакууме - постоянная Больцмана

Физические методы ПИРОМЕТРИЯ –измерение температуры тел посредством измерения их излучения ТЕРМОГРАФИЯ – измерение и регистрация теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков

Теплообмен. Виды теплообмена. - передача энергии без совершения работы. Виды теплообмена организма с окружающей средой теплопроводность конвекция (15-20%) излучение (до 50%) испарение (до 30%)

Энергетический баланс организма ΔE = ΔQ + ΔA Потеря теплоты за счет: 1-теплопроводности+конвекции 370 ккал 2- испарения 510 ккал 3- излучения 850 ккал На совершение работы к Кал

Применение теплового излучения в медицине 1.ИК–излучение - это электромагнитная волна в диапазоне от 0,76 мкм до 1-2 мм. а) светолечение: лампа Минина, лампа Соллюкс, светотепловые ванны; б) контактное приложение: грелка, парафин и т.п.

Применение теплового излучения в медицине 2. УФ–излучение - это электромагнитная волна в диапазоне от 400 нм до 10 нм. а) длинноволновое (А) - эритемное воздействие (загар); б) средневолновое (В) - образование витамина Д, антирахитное действие в) коротковолновое - бактериологическое действие

Термография

Тест-контроль Ослабление интенсивности света при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды называется: 1. дифракцией 2. интерференцией 3. поглощением 4. поляризацией.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Обязательная: Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, Дополнительная: Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа, Богомолов В.М. Общая физиотерапия: учебник. -М.: Медицина, Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник. -СПб.: Спецлит, Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов /сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМУ, Электронные ресурсы: ЭБС КрасГМУ Ресурсы интернет Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ