Кафедра медицинской и биологической физики Тема Тепловое излучение

Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Тепловое излучение. Люминесценция. Лазер. лекция № 10 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности 060103 - Педиатрия К. п. н. , доцент Шилина Н. Г. Красноярск, 2012

План лекции 1. Законы теплового излучения. Применение в медицине. 2. Люминесценция. Классификация. Способы получения. 3. Применение люминесценции в медицине и биологии. 4. Лазер. Принцип работы. Особенности лазерного излучения. 5. Применение лазеров в медицине.

Тепловое излучение это излучение нагретых тел, температура которых выше 0 К. – 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 ελ – спектральная плотность энергетической светимости черного тела

Законы излучения черного тела энергетическая светимость абсолютно черного тела

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

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

Физические методы n n 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%) испарение (до 30%) излучение (до 50%)

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 2300 -2500 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

Люминесценция - излучение, избыточное над тепловым излучением тела при данной температуре, характеризующееся длительностью свечения, значительно превышающей период световых колебаний (10 -15 с)

Классификация по способу возбуждения : n n n n ионолюминесценция катодолюминесценция радиолюминесценция рентгенолюминесценция фотолюминесценция электролюминесценция биолюминесценция

Классификация по длительности свечения: n n флуоресценция (кратковременное послесвечение t = 10 -9 – 10 -8 c) фосфоресценция (длительное послесвечение t = 10 -4 – 104 c)

Энергетические переходы, вызывающие люминесценцию 1. Резонансная флуоресценция hν

2. В сложных органических молекулах 3. Метастабильный переход 3 3 Без излучения 4 2 1 2 hν’≤hν 3 λ’≥λ

Фотолюминесценция. Е возбуждение люминесценция λ Спектр люминесценции сдвинут в сторону больших длин волн относительно спектра возбуждения – правило Стокса

Антистоксово излучение hν hν’>hν λ’<λ

Антистоксова люминесценция Возбуждающая линия Антистоксово излучение Люминесценция

Хемилюминесценция: Возникает в химических реакциях. Происходит превращение химической энергии в световую. ВИДЫ: n Митогенетическое излучение (190 -320 нм) n Биолюминесценция (420 -710 нм) n Сверхслабое свечение (710 -800 нм)

Использование люминесценции в биологии и медицине n n Люминесцентный качественный и количественный анализ Люминесцентные зонды и метки (флуоресцентная ангиография – контрастирование сосудов флуоресцином и их последующее фотографирование)

Использование люминесценции в биологии и медицине n n n Проверка качества и сортировка пищевых продуктов Сортировка фармакологических средств Диагностика кожных заболеваний (поражение кожи, ногтей, волос грибками и лишаем)

Оптический квантовый генератор Лазер (аббревиатура от английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения).

Квантовые переходы между энергетическими уровнями с нижнего уровня на верхний (возбуждение). n с верхнего уровня на нижний (релаксация). а) Спонтанное излучение б) Индуцированное излучение n

Спонтанное излучение самопроизвольный переход атомов из возбужденного состояния на нижний энергетический уровень. Фотоны, испущенные отдельными атомами, имеют различные направления движения, различные частоты, фазы и плоскости поляризации. Так излучают обычные источники света.

Индуцированное излучение n вынужденный переход возбужденного атома на нижний уровень.

Распределение атомов по энергетическим уровням n В состоянии термодинамического равновесия определяется распределением Больцмана E 0, 1, 2, 3 - энергия атомов на соответствующем уровне. Длина линии каждого уровня пропорциональная числу атомов на нем

Инверсная населенность n такое состояние среды, при котором число атомов на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. Состояние с инверсной населенностью можно создать, используя разные методы накачки. n Активная среда — среда, приведенная в состояние с инверсной населенностью.

Общий принцип действия лазера Любой лазер содержит 3 компонента: 1) рабочее тело, 2) система накачки, 3) оптический резонатор. 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Система накачки устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (создание инверсной населенности). Накачка может быть непрерывной или импульсной. 1. «Оптическая» накачка — возбуждение интенсивным светом 2. Возбуждение газовой среды электрическим разрядом. 3. Электрический ток (полупроводниковые лазеры) или химические реакции n

Процесс генерации излучения в лазерах Основное состояние Накачка Идуцированное излучение Выход излучения

Гелий-неоновый лазер n n Парциальные давления гелия и неона равны, соответственно, 1 мм рт. ст. и 0, 1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия — вспомогательными, необходимыми для создания инверсной населенности атомов неона. λ = 632, 8 нм.

Особенности лазерного излучения Высококогерентность n Монохроматичность n Высокая интенсивность 1014 -1016 Вт/см 2 n Высокая яркость 1015 кд/м 2 яркость Солнца 109 кд/м 2 n Давление n Коллимированность (1’) n Поляризованность n

Взаимодействие лазерного излучения с биообъектами n n n невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект) фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции) фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Отражение и поглощение в коже Перераспределение энергии лазерного луча при прохождении через кожу: 1 — роговой слой, 2 — эпидермис, 3 — дерма

Воздействие мощного лазерного излучения n n n при 40 -60 °С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и, в зависимости от времени действия, гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы; при 60 -80 °С — денатурация коллагена, дефекты мембраны; при 100 °С — обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150 °С — обугливание; свыше 300° С — выпаривание обезвоженной обугленной ткани, газообразование.

Использование лазерного излучения в диагностике 1. 2. 3. 4. 5. Интерферометрия Голография Нефелометрия Эффект Доплера (в метод анемометрии) Лазерная масс-спектроскопия. Микропробы испаренного лазером вещества подвергают массспектральному анализу. 6. Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию клеток крови.

Использование лазерного излучения в терапии n Терапия с помощью красного света. Излучение He-Ne лазера с длиной волны 632, 8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. n Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. n Фотодинамическая терапия опухолей.

Использование лазерного излучения в хирургии Используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера с λ = 10, 6 мкм, мощность 2 · 103 Вт/см 2. Преимущества лазерной хирургии : n бесконтактность n селективность при выборе ткани n бескровность (за счет коагуляции крови) n микрохирургия тканей и клеток n точно определенная глубина проникновения в ткань.

Лазерная сварка тканей n сваривание одного из стволов крупного нерва, осуществляемого в контактном режиме с использованием припоя, который каплями из пипетки подается по месту сваривания для защиты от перегрева.

Лазерная эндоскопия n Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов.

Лазерная имплантация зуба Лазерная терапия может лечить псориаз Гелий-неоновый Лазерная микрохирургия глаза

Заключение: В лекции рассмотрены: n основные законы теплового излучения и его применение в медицине; n понятие люминесценции и ее применение в медицине и биологии; n лазеры и их использование в медицине.

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: n Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М. : Дрофа, 2007. Дополнительная: n Федорова В. Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М. : Физматлит, 2005. n Антонов В. Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие. -М. : ГЭОТАР-Медиа, 2006. n Богомолов В. М. Общая физиотерапия: учебник. -М. : Медицина, 2003. n Самойлов В. О. Медицинская биофизика: учебник. -СПб. : Спецлит, 2004. n Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов /сост. О. Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, 2009. n Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О. П. Квашнина и др. -Красноярск: тип. Крас. ГМА, 2007. n 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. Крас. ГМУ, 2009. Электронные ресурсы: n ЭБС Крас. ГМУ n Ресурсы интернет n Электронная медицинская библиотека. Т. 4. Физика и биофизика. - М. : Русский врач, 2004.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ