🗊Презентация Взаимодействие света с веществом. (Лекция 12)

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ Лектор: к.т.н., доц. Якимов А.Н. Кафедра медицинской и биологической физики, медицинской информатики, биостатистики ГУ «Луганский государственный медицинский университет»

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Дисперсией света называют явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества n от длины световой волны . Световые волны различных длин l распространяются в вакууме с одинаковыми скоростями (с = 3×108 м/с), а в веществе - с различными. Например, в обыкновенном стекле красный свет распространяется с большей скоростью, чем фиолетовый. Также дисперсия вызывает нежелательную аберрацию света в линзах.

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Свет разных длин волн (разного цвета) преломляется неодинаково на границе двух прозрачных сред. Различная преломляемость лучей разного цвета позволяет разложить сложный (белый) свет на его монохроматические составляющие («моно» - один, «хромос» - цвет). Такой опыт был впервые (1672 г.) предложен Исааком Ньютоном. Аберрация света в линзе из-за дисперсии.

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Обычно дисперсию материалов характеризуют, измеряя показатель F голубой линии водорода (486.1 nm), желтой линии натрия D (589.3 nm), и красной линии водорода C (656.3 nm). Дисперсия характеризуется стандартным параметром, называемым число Аббе, или значением v или числом V, что является одним и тем же:

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Пример дисперсии Дисперсия в оптических стеклах обычно характеризуется значениями показателя преломления для трех стандартных длин волн. Малые значения v соответствуют большой дисперсии.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

ЗАКОН БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА

ЗАКОН БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА

ЗАКОН БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА

ЗАКОН БУГЕРА-ЛАМБЕРТА-БЕРА

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОЛОМЕТРИЯ

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОЛОМЕТРИЯ Измерения должны осуществляться в монохроматическом свете наиболее поглощаемого содержащимся в растворе конкретным исследуемым веществом участка спектра 315 нм - 980 нм. Другие компоненты раствора должны поглощать этот свет относительно слабо. Для этого фотоколориметр может быть снабжен набором соответствующих светофильтров. Принцип действия колориметра основан на серии измерений светового потока Ф0 проходящего через растворитель или контрольный раствор, и потока Ф1, проходящего через исследуемый раствор. В колориметре световые потоки Ф0 и Ф1 преобразуются в электрические сигналы U0 и U1, регистрируемые гальванометром как коэффициент передачи (), оптическая плотность (D) или концентрация.

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОЛОМЕТРИЯ Коэффициент пропускания изучаемого раствора Оптическая плотность: D = a + b·C Концентрация раствора выражается как: C = (D - a) /b, где a и b – константы, определяемые по градуировочной характеристике.

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ При падении светового луча на вещество, энергия электромагнитных колебаний расходуется на возбуждение вынужденных колебаний электронной орбиты атомов , где E1 и Em - текущая и максимальная напряженности электрического поля в электромагнитной волне, ω– циклическая частота вынужденных колебаний. , где Δφ – отставание фаза вынужденных колебаний электронных орбит относительно колебаний вынуждающей силы Fc=eE1.

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ 1. Электромагнитная волна, испускаемая переменным диполем, имеет частоту вынужденных колебаний, равную частоте вынуждающей силы. Изменений частоты света при переходе из одной среды в другую не происходит. 2. Отставание по фазе Δφ определяет задержку фазовой скорости света в среде относительно вакуума. 3. Если частота вынужденных колебаний совпадает с собственной частотой колебаний электронной орбиты атома, это сопровождается резонансом с резким увеличением поглощения энергии волны. Следовательно, зависимость коэффициента поглощения света k от его частоты носит линейный характер.

РЕЗОНАНСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ Величины ω0i – собственные частоты колебаний электронных орбит атомов вещества. Следующая характеристика называется спектром поглощения. Некоторая часть энергии расходуется на фотохимические реакции, выбивание электронов и т.д.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ Есть много составляющих биологических тканей, поглощающих световое излучение, имеющих общее название хромофоры тканей, каждого из них имеет собственный уникальный спектр. Полный коэффициент поглощения смеси составов равен сумме их коэффициентов поглощения, с учетом их относительных концентраций. Поэтому, рассматривая ткань как гомогенную смесь составов, полное поглощение света в ткани для данной длины волны зависит от типа и концентрации имеющихся хромофоров.

СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ Вода - основное химическое вещество в человеческом теле, составляет 60 - 80% массы тела. Содержание воды меняется в зависимости от типа тканей и определяется возрастным и половым признаком. Например, у новорожденного мозг содержит до 90% массы воды, тогда как содержание воды во скелетной мышце взрослого составляет приблизительно 74%. Из-за ее высокой концентрации в большей части биологических тканей, вода является одним из самых важных хромофоров при измерениях спектроскопии тканей. Спектр поглощения воды показывают в диапазоне длин волн 200-10 000 нм и в увеличенном масштабе от 650 до 1050 нм. Между 200 и 900 нм существует область относительно низкого поглощения. Выше 900 нм коэффициент поглощения увеличивается довольно быстро до пика приблизительно в 970 нм.

СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЫ

ГЕМОГЛОБИН В окне прозрачности воды доминирует поглощение света близкого к инфракрасному гемоглобином в его различных формах. Гемоглобин содержится в эритроцитах и составляет приблизительно 40-45% цельной крови, обеспечивает перенос кровью кислорода от легких к тканям и транспорт углекислоты от тканей к легким. Другой функцией гемоглобина является поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме. Молекула гемоглобина состоит из 1 молекулы простого белка глобина – белка типа альбуминов (содержит остатки аминокислот изолейцина и цистина) и 4 молекул железосодержащей небелковой группы – гема. Глобин придает гему способность связывать кислород. Гем обеспечивает устойчивость глобина к действию кислот, нагреванию, расщеплению ферментами и обусловливает его кристаллизацию. Молекула гемоглобина может нести четыре молекулы кислорода.

ГЕМОГЛОБИН В крови здоровых мужчин содержится от 13 до 16% гемоглобина (145 г/л). В крови здоровых женщин содержится в среднем от 12 до 14% гемоглобина (130 г/л). Гемоглобин синтезируется клетками костного мозга. При разрушении эритроцитов, после отщепления гема гемоглобин превращается в желчный пигмент биллирубин, который с желчью поступает в кишечник и после превращений выводится с калом. В норме гемоглобин содержится в виде 2-х физиологических соединений. Гемоглобин, присоединивший кислород, превращается в оксигемоглобин — НbО2. Оксигемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным (деоксигемоглобином) — Нb. Удельные спектры поглощения окси- и деоксигемоглобина, показанные на слайде, значительно отличаются, особенно в красной области видимого и инфракрасного света.

ГЕМОГЛОБИН

ГЕМОГЛОБИН Это различие в поглощении объясняет видимые цветовые различия между венозной и артериальной кровью. Артериальная кровь, которая у взрослых обычно на 98% насыщена кислородом, ярко-красная, тогда как венозная кровь, у которой насыщение приблизительно 75%, выглядит темно-красной или фиолетовой. Хотя спектральные поглощательные способности для инфракрасного света имеют меньшие амплитуды чем в видимом диапазоне, спектры достаточно отличаются, чтобы различить две формы гемоглобина.

МЕЛАНИН И МИОГЛОБИН Важные хромофоры тканей: меланин и миоглобин. У меланина, пигмента, содержащегося в эпидермальном слое кожи человека, большой коэффициент рассеивания в УФ-диапазоне, он защищает кожу от разрушительной солнечной радиации; и значительный коэффициент поглощения красного УФ. Не зависящий от кислородонасыщения ткани, вклад меланина в полное ослабление света значителен. Миоглобин, содержащийся в клетках скелетных мышц, является красным пигментом, связывающим кислород, подобно гемоглобину в эритроцитах и со схожим спектром поглощения красного УФ. Миоглобин намного менее чувствителен к кислородонасыщению ткани, чем гемоглобин и кислородный транспорт должен значительно уменьшиться, прежде чем изменится спектр поглощения миоглобина

СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

РАССЕЯНИЕ СВЕТА Рассеяние света происходит при нерезонансных частотах, т.е. интенсивности рассеивания относительно невелики по сравнению с амплитудами вынужденных колебаний частиц при собственном резонансе. В большинстве жидкостей и твердых тел, однако, межмолекулярные взаимодействия расширяют частоты поглощения, так что рассеяние и поглощение света происходят для всех длин волн

РАССЕЯНИЕ СВЕТА Если в прозрачной среде с показателем преломления n1 имеются неоднородности (частицы) с иным показателем преломления n2, чем основная среда, то световой луч отклоняется от своего первоначального направления и делится на множество лучей. Наблюдается рассеяние света. В зависимости от соотношения между размерами частиц и длиной волны падающего света различают три области рассеяния.

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ РАССЕЯНИЕ

ДИФРАКЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ

РАССЕЯНИЕ РЕЛЕЯ

РАССЕЯНИЕ РЕЛЕЯ

РАССЕЯНИЕ РЕЛЕЯ

ТУРБИДИМЕТРИЯ Нефелометрия и турбидиметрия – это методы определения концентрации частиц в коллоидном или суспендированном, содержащем дисперсные непрозрачные частицы, делающие среду мутной. Метод измерения концентрации суспензии в проходящем свете называется турбидиметрией. Главная задача - выделить лучи, не взаимодействовавшие с частицами раствора. Индикатриса рассеяния 9 сильно вытянута вперед, используется диафрагма 8, чтобы ограничить попадание рассеянных лучей на фотоэлемент

НЕФЕЛОМЕТРИЯ В нефелометрии проводят измерение интенсивности света 3, рассеянного в кювете с исследуемым раствором 4, перпендикулярно падающему лучу 1. Рассеяние идет на частицах 2 во все стороны, поэтому для регистрации фотоэлементом 6 используется лишь незначительная часть рассеянного света, который собирается линзой 5. Это ограничивает чувствительность метода.