Лазеры – оптические квантовые генераторы - раздел Медицина, Лекция 1 Сегодня мы приступаем с вами к изучению медицинской и биологической физики для того Тепловое Излучение И Люминесценция Осуществляются Посредством Спонтанных Пере...
Тепловое излучение и люминесценция осуществляются посредством спонтанных переходов атомов и молекул с более высоких энергетических уровней на низкие уровни.
В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность вынужденных переходов, которые должны сопровождаться индуцированным излучением.
Под индуцированным излучением он понимал излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательным свойством этого излучения является то, что световая волна индуцированного излучения не отличается от волны, падающей на атом ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.
С квантовой точки зрения это означает, что из высшего энергетического состояния атом переходит в низшее, но не самопроизвольно, как при тепловом излучении и люминесценции, а вынужденно, под действием внешней световой волны. При этом если на атом, находящийся в высшем энергетическом состоянии 
, подействовать одним фотоном энергией 
, то при переходе атома в основное состояние 
получается уже два фотона: падающий и индуцированный.
Если же из состояния перевести атомы в энергетическое состояние и собрать там большое количество атомов, а затем одновременно перевести их снова в состояние (создать переход 
), то можно получить мощное усиление падающего излучения.
Но в обычных условиях с увеличением энергии уровня заселенность, т.е. число атомов на этом уровне, уменьшается. Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно обратить заселенность уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией 
находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией 
. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную заселенность. Энергетически наиболее выгодной схемой создания инверсной заселенности является трехуровневая система, содержащая метастабильный уровень –уровень, на котором время жизни
атома составляет до 
.
Первый генератор оптического излучения –лазер был создан на розовом рубине, 
, в котором некоторые атомы 
замещены ионами 
(именно в таком виде хром находится в кристалле рубина).
При поглощении света ионы переходят из основного состояния в
возбужденное
состояние (переход 
). Обратный переход квантовомеханически запрещен, но безизлучательный переход 
разрешен. Он происходит из-за того, что возбужденные ионы отдают кристаллической решетке рубина часть своей кинетической энергии и переходят с уровня на метастабильный уровень 
без излучения. Как уже отмечалось, на этом уровне ионы могут находиться в течение 
. Создается инверсная заселенность.
Создание инверсной заселенности называется накачкой. В рубиновом лазере накачка осуществляется с помощью мощной импульсной ксеноновой лампы. При достаточной мощности накачки число ионов на метастабильном уровне становится больше, чем на невозбужденном уровне , т.е. происходит инверсия.
С метастабильного уровня некоторые ионы хрома могут спонтанно перейти в состояние , излучая фотоны света. Под действием этих фотонов происходит каскад вынужденных переходов соседних атомов на уровень , сопровождающихся индуцированным излучением (усиление света).
Кристалл рубина исполняется в виде цилиндра, торцы которого строго параллельны друг другу. Торцы покрыты слоем серебра, причем один из торцов прозрачен. Такие торцы образуют зеркальный резонатор. Каскад фотонов, которые получаются при переходе 
, многократно отражаются от торцов и на своем пути вызывают вынужденное излучение все большего числа возбужденных ионов . Через прозрачный торец выходит мощный кратковременный импульс красного цвета 
. Рубиновый лазер является импульсным генератором света.
Существуют лазеры непрерывного действия. В лазерах этого типа рабочим веществом является газ.
Например, гелий –неоновый лазер. Рабочим телом в гелий –неоновом лазере является смесь благородных газов 
и 
, помещенная в стеклянный баллон.
Накачка производится с помощью высокочастотного электрического поля, вызывающего в газе тлеющий разряд. Легкие атомы гелия под действием электрического поля возбуждаются и переходят на уровень . В процессе неупругого соударения атомы передают энергию атомам , которые, возбуждаясь, накапливаются на двух метастабильных уровнях 
и 
, с которых они переходят на уровень 
с излучением света двух длин волн: 
и 
. Мощность 
-го лазера невелика.
В медицине применяются также полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение происходит под действием электрического тока, газодинамические лазеры непрерывного действия.
Все темы данного раздела:
Природа биопотенциалов и способы их описания.
Все процессы жизнедеятельности организмов сопровождаются появлением в клетках и тканях электродвижущих сил. Электрические явления играют большую роль в важнейших физиологических процессах: возбужде
Равенство Доннана.
При выводе уравнений, описывающих распределение ионов между клеткой и окружающей средой, выполняется условие электронейтральности, равенство суммарной концентрации анионов ( в основном
Потенциал покоя
Экспериментально установлено, что цитоплазма в состоянии покоя имеет отрицательный потенциал, а окружающая среда- положительный.
Действительно, в первом приближении
Потенциал действия.
Все клетки возбудимых тканей (нервная, мышечная, железистая) под действием различных раздражителей достаточной силы способны переходить в возбужденное состояние. Обязательным призна
Проведение возбуждения по нервным волокнам).
Потенциал действия, возникнув в одном участке нервной клетки, распространяется по всей её поверхности.
В результате возбуждения ме
Природа биопотенциалов и способы их описания
Все процессы жизнедеятельности организмов сопровождаются появлением в клетках и тканях электродвижущих сил. Электрические явления играют большую роль в важнейших физиологических процессах: возбужде
Равенство Доннана.
При выводе уравнений, описывающих распределение ионов между клеткой и окружающей средой, выполняется условие электронейтральности, равенство суммарной концентрации анионов ( в основном
Потенциал покоя
Экспериментально установлено, что цитоплазма в состоянии покоя имеет отрицательный потенциал, а окружающая среда- положительный.
Действительно, в первом приближении
Потенциал действия.
Все клетки возбудимых тканей (нервная, мышечная, железистая) под действием различных раздражителей достаточной силы способны переходить в возбужденное состояние. Обязательным призна
Проведение возбуждения по нервным волокнам).
Потенциал действия, возникнув в одном участке нервной клетки, распространяется по всей её поверхности.
Электрический диполь
Электрический диполь- система двух точечных зарядов, равных по величине и противоположных по знаку и находящихся на некотором расстоянии друг от друга.
Напряженность электрического поля диполя.
По определению напряженность электрического поля определяется как сила, действующая со стороны поля на единичный пробный заряд :
Потенциал. Разность потенциалов.
Напоминаю, что это энергетические характеристики электрического поля.
Потенциал электрического поля в любой его точке определяется как
Диполь в электрическом поле.
а) В однородном поле напряженности .
Токовый диполь. Эквивалентный электрический генератор.
Рассмотренный нами диполь может сохраняться сколь угодно долго только в вакууме или идеальном диэлектрике. Однако нас диполь интересует в применении к объяснению электрических явлений в организме –
Электрокардиография
Итак, при функционировании органов и тканей, а также клеток в организме возникает электрическое поле, элементарным источником которого является диполь. Мы показали, что характеристи
Вектор-электрокардиография.
Точку приложения вектора можно считать постоянной (точка, совпадающая с нервным узлом межпредсердной перегородки), а конец
Биологические основы реографии
Известно, что относительное изменение объёма кровенаполнения и относительное изменение сопротивления органа или ткани связаны зависимостью:
Активное, индуктивное и ёмкостное сопротивления
Сила тока на всех элементах одинакова и равна силе входного т
Активное, индуктивное и ёмкостное сопротивления
В этой цепи напряжения на всех элементах равны:
.
Общ
Органы и ткани как элементы ЦПТЮ
Реография.
Активное сопротивление обусловлено взаимодействием в веществе зарядов противоположного знака, следовательно, ткани и органы организма обладают а
Основные положения электромагнитной теории Максвелла.
В колебательном контуре электрическая энергия конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. Максвелл обобщил это явление электромагнитной индукции и развил теорию электр
Уравнение электромагнитной волны.
Система уравнений
описывает электромагнитное поле и называется уравнениями максвелла для электромагнитной волны.
Энергия электромагнитной волны
Полная энергия волны складывается из суммы электрической и магнитной энергий:
.
Удобнее представлять энер
Организма под действием токов и электромагнитного поля
1. Постоянный ток –первичное действиесвязано с движением ионов, их разделением и изменением их концентраций на мембранах, что приводит к различным биохимическим и биофизическим про
Переменное магнитное поле.
4.Если орган поместить в переменное магнитное поле, то в нем возникают вихревые токи, которые прогревают ткани и органы. К
Природа света. Основные характеристики света
Согласно современным представлениям свет обладает кор-пускулярно-волновым дуализмом, т.е. представляет собой поток частиц электромагнитного поля, фотонов, которые следует рас-сматривать как частицы
Поляризация света
Если говорить о плоских волнах вообще, то следует отметить, что в случае, когда плоскость колебаний непрерывно меняется, а амплитуда колебаний остается постоянной, то такую волну называют естествен
При двойном лучепреломлении
Известно, что кристаллы обладают оптической анизотропией.
Наличие этого свойства является причиной того, что некоторые кристаллы раздваивают луч. Один из лучей является сферической волной,
Система поляризатор – анализатор
Глаз не воспринимает поляризацию света. Для того, чтобы обнаружить поляризацию света необходим анализатор.
Если за
Поляриметрия
Некоторые вещества (кристаллы и растворы) при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскость поляризации луча. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Такие веще
Природа теплового излучения. Характеристики теплового излучения
Тепловое излучение, т.е. излучение нагретых тел представляет собой электромагнитное излучение. Оно обусловлено возбуждением атомов и молекул при соударениях в процессе теплового движения. Возбужден
Закон Кирхгофа
Изучая условия термодинамически равновесного излучения, Кирхгоф установил, что, т.к. термодинамическое состояние излучателей не меняется, то каждое тело излучает и поглощает одинаковую энергию. Спе
Законы излучения абсолютно черного тела
Эти законы были установлены экспериментально.
1. Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры
Законов теплового излучения абсолютно черного тела
Экспериментально наблюдаемый спектр излучения абсолютно черного тела и экспериментально установленные законы теплового излучения требуют объяснения механизма теплового излучения.
ИК- и УФ- излучение и их применение в медицине.
ИК - излучение лежит в диапазоне , т.е от красной границы видимого спектра до более высоких длин волн. 50% солнечного излуч
Волновые свойства частиц. Длина волны де Бройля
Мы уже говорили о том, что свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом: в некоторых явлениях ведет себя как волна (интерференция, дифракция, поляризация), в других (фотоэффект,
Электронный микроскоп
Современные оптические микроскопы могут давать достаточно большое увеличение, примерно в раз. Но оно во многих случаях не может быть исполь
Люминесценция
Мы рассматривали с Вами тепловое излучение как явление, при котором излучается свет. Но свет может возникать и в других явлениях – газовый разряд, химические реакции и др. Все виды самосвечения, кр
Фотолюминесценция
Люминесценцию объясняет квантовая механика, но приближенно её можно объяснить с помощью теории Бора, постулаты которого Вы изучали в школе:
1. Атомная система может находит
Закон Стокса
Из рассмотренных схем переходов видно, что поглощая квант света энергией и испуская квант энергией
Применение люминесценции в медицине
В медицинских и биологических исследованиях люминесценция играет существенную роль
По спектру люминесценции можно определить состав и природу вещества. Этот анализ называет
Голография и возможности её применения в медицине
Голография –метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции света.
Голография открыта Габором в 1948 году. Однако её пра
Свойства рентгеновского излучения
1. Рентгеновское излучение –это электромагнитное
излучение с длиной волны . На шкале электромагнитных волн нижняя
Механизмы генерации рентгеновского излучения
По способу возбуждения рентгеновское излучение разделяют на характеристическое и тормозное.
1.Характерист
Рентгеновская трубка
Рентгеновская трубка является устройством для возбуждения рентгеновского излучения.
Рентгеновская трубка представляет собой вакуум
От рабочих параметров рентгеновской трубки.
Экспериментально, показано, что средняя энергия рент-геновского излучения, переносимого без потерь через единицу площади, т.е. поток энергии
Действие рентгеновского излучения на вещество
При попадании на тело рентгеновское излучение незначительно отражается, но большая часть его проходит вглубь. Часть прошедшего излучения поглощается и рассеивается в веществе, часть проходит сквозь
Применение рентгеновского излучения в медицине
В лечебных целях рентгеновское излучение применяется в онкологии, т.к. наиболее чувствительны к рентгеновскому излучению быстроразмножающиеся клетки, т.е. злокачест
Ионизирующее излучение
Ионизирующим излучением называются потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию её атомов и молекул.
К ионизирующему излуче
Строение атомного ядра
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которым дано общее название –нуклоны.
Заряды нуклонов: Заряд протона положительный, равный по величине заряду э
Энергия связи
С понятием ядерных сил связано понятие потенциальной энергии нуклонов. Потенциальная энергия больше энергии
Радиоактивность. Виды излучений
Радиоактивность –свойства ядер некоторых элементов самопроизвольно распадаться с образованием новых ядер и с испусканием излучения, которое называют радиоактивным излучением.
Основной закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад –статистическое явление. Нельзя заранее предсказать, когда распадется нестабильное ядро, можно только для большой совокупности ядер вывести некоторый статистич
Радиоактивность в природе – естественная фоновая радиация
Радиоактивные элементы значительно распространены в природе, хотя и в ничтожно малых количествах.
В земной коре: в урановых рудах содержаться долгоживущие элементы (уран, радий, торий и др
Радиоактивного излучения
Образующиеся в результате радиоактивного распада частицы и кванты
На организм
Сложная биологическая реакция организма на действие различных видов излучения (частиц и
Характеристики ионизирующего излучения
Действие на организм оказывает только та часть излучения, которая, взаимодействуя с атомами и молекулами вещества организма, поглощается организмом. Поэтому основной характеристикой
Дозиметрическая аппаратура
Приборы для измерения экспозиционной дозы (или мощ-ности дозы) рентгеновского или излучения называют дозиметрами или рентге
Защита от ионизирующего излучения
Мощность экспозиционной дозы от источника излучения точечной формы пропорциональна активности и обратно пропорциональна квадрату расстояния
Электронный парамгнитный резонанс
Если атом находится в постоянном магнитном поле, то переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но если на атом подействовать внешним переменным магнитным полем таким, что част
Ядерный магнитный резонанс
Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном мегнитном поле, обусловленное перелриентацией магнитных моментов ядер, назыывают ядерным магнитным резонан
Новости и инфо для студентов