Медицинское оборудование, основанное на принципах волновой оптики

Интерференция волн Мыльный пузырь витает в воздухе... зажигается всеми оттенками цветов, присутствовать окружающим предметам. Мыльный пузырь, пожалуй, самое изысканное чудо природы. (Марк Твен)

Интерференция световых волн Интерференция - одно из ярких проявлений волновой природы света. Это явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер светлых и темных полос, чередующихся причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков.

Юнг Томас ( ), английский физик. Дослідження в області оптики дали пояснення у природі акомодації, астигматизму і кольрового зору. Один із творців хвильової теорії світла. Пояснив явище інтерференції світла, дав інтерпритацію кілець Ньютона. Виконав перший експеремент по спостереженню інтерференції, отримав два когерентних джерела світла. Відкрив інтерференцію ультрафіолетових променів, виміряв довжину хвиль світла різних кольорів.

явление наложения волн, при котором наблюдается устойчивое во времени усиления или ослабления результирующих колебаний в различных точках пространства.

Условия max. Условием наблюдения интерференционного максимума является кратность оптической разности хода целому числу длин волн. В результате наложения таких колебаний возникает результирующее колебание с двойной амплитудой.

Условием наблюдения интерференционного минимума является кратность разности хода нечетному числу длин полуволн. В результате наложения таких колебаний амплитуда колебания равна нулю, то есть в данной точке колебаний нет.

Интерференционная картина в виде чередования максимумов и минимумов будет устойчивой только при наложении когерентных световых волн.

Когерентные световые волны Волны являются когерентными, если разность их фаз не меняется со временем. Для синусоидальных (гармонических) волн это условие выполняется при равенстве их частот.

Распределение интенсивности в интерференционной картине

В лабораторных опытах для наблюдения интерференции используют световые фильтры, специальные оптические системы или свет лазеров.

Опыт Ньютона Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонком воздушном слое между плоской стеклянной пластиной и Плосковыпуклая линзой большого радиуса кривизны.

При отражении света от двух границ воздушного промежутка между выпуклой поверхностью линзы и плоской пластиной возникают интерференционные кольца - кольца Ньютона.

Радиус m-го темного кольца где R – радиус кривизны линзы, m - целое число (номер кольца).

Кольца Ньютона в отраженном белом свете Юнг рассчитал длины волн излучения фиолетового и красного света λ ф = 0,42 мкм; λ ч = 0,7 мкм.

Кольца Ньютона в отраженном зеленом и красном свете

Бипризмы Френеля Есть прибором для наблюдения явления интерференции света. Бипризмы состоит из двух одинаковых стеклянных призм с малыми преломляющими углами и общей основой.

Схематическое изображение бипризмы Френеля

Примеры интерференции Зеркало Ллойда Интерференция в тонких пленках S AC D D

Принцип Гюйгенса - Френеля Принцип Гюйгенса - каждая точка среды, которой достигнет фронт волны в определенный момент времени, является источником вторичных волн. Поверхность, огибающая эти элементарные волны, определяет положение фронта волны, распространяющейся в среде в следующий момент времени.

Принцип Гюйгенса - Френеля

Дифракция светла Явление дифракции заключается в отклонении световых лучей от прямолинейного распространения в средах с препятствиями (очень узкие отверстия, края с препятствиями).

Дифракционная картина - система почерговихих светлых и темных колец, если препятствие круглой формы. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Случаи, когда дифракция наблюдается ярко : Размеры препятствия равны или меньше длины волны - дифракция сразу за препятствием. Размеры препятствия большие длины волны - дифракция наблюдается на большом расстоянии от препятствия.

Дифракция на круглом отверстии

Дифракционная решетка Простые дифракционные решетки состоят из прозрачных участков (щелей), разделенных непрозрачными промежутками.

Дифракционная решетка

Условия дифракционного максимума и минимума

Дифракция света на решетке

Аспределение интенсивности при дифракции монохроматического света на решетках с различным количеством щелей. I - интенсивность колебаний при дифракции света на одной щели.

Разложение белого света в спектр с помощью дифракционной решетки.

1.Взаемодия света с веществом 2.Теплове излучения 1. Характеристика теплового излучения 2. Законы излучения. 3. Заcтосування инфракрасного и ультрафиолетового излучений. 3.Основы фотометрии 1. Световой поток. 2. Сила света и освещенность. 3. Законы освещенности. 4. Свiтимiсть источников. 5. Единицы измерения световых величин.

Поглощение света Световая волна, проходя через вещество, постепенно затухает. Этот процесс сопровождается поглощением энергии. Чем больше атомов и молекул встретится на пути светового потока, тем больше свет будет поглощаться. Определенная часть энергии волны переходит в другие виды энергии. Происходит повышение интенсивности теплового движения атомов и молекул (тепловой эффект), а также процессы ионизации и возбуждения атомов, фотохимические реакции. Переход энергии световой волны в другие виды внутренней энергии вещества называют поглощением света.

Поглощение света слоем вещества

Вывод закона Бугера

Закон Бугера

Закон Бера и Бугера-Бера

Коэффициент пропускания и оптическая плотность

Концентрационная колориметрия

Фотоэлектроколориметр

Спектр поглощения Зависимость оптической плотности от длины волны называют спектром поглощения. График этой зависимости представляет собой кривую с максимумами в определенных интервалах длин волн, в которых происходит сильное поглощение. У белков максимум поглощения приходится на длину волны 280 нм, в нуклеиновых кислот-260 нм, хлорофилл а имеет два максимума поглощения в интервалах нм и нм, что почти во всем диапазоне видимого света, кроме зеленого. Поэтому листья растений имеют зеленую окраску.

Физические явления, сопровождающиеся поглощением света Безызлучательный переход. Фотохимическая реакция, обусловленная возбуждением молекулы фотонами. Люминесценция - переход электронов в основное состояние в молекуле с излучением фотона (фотонов).

Устройство, предназначенное для регистрации спектров поглощения, называется спектофотометром

Дисперсионные призмы используются в спектральных приборах для пространственного разделения излучений различных длин волн.

Характеристика теплового излучения Среднюю мощность излучения за время значительно больше периода световых колебаний принимают за поток излучения Ф. Поток энергии, излучаемой 1 м 2 поверхности тела, называется энергетической светимостью R или излучательной способностью R. Она выражается в ваттах на м 2. 2

Энергетическая светимость Нагретый тело излучает волны различной длины волны. Выделим определенный интервал длины волны от λ к +λ. Энергетическая светимость, отвечающий этому интервалу, пропорциональна его ширине. спектральная плотность энергетической светимости.

Полная энергетическая светимость Проинтегрировав предыдущее уравнение находим полную энергетическую светимость во всем интервале длин волн :

Коэффициент поглощения Способность тела поглощать энергию излучения характеризуется коэффициентом поглощения, равным отношению поглощенного телом потока излучения к падающему потоку :

Монохроматический коэффициент поглощения Коэффициент поглощения зависит от длины волны, то нужно ввести понятие монохроматического коэффициента поглощения :

Абсолютно черное и серое тело Тело, коэффициент поглощения которого равен 1 для всех частот называется абсолютно черным. Серым называется тело, коэффициент поглощения которого меньше 1. Для тела человека принимают

Модель абсолютно черного тела

2. Законы излучения. Согласно закону Кирхгофа отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматического коэффициента поглощения для всех тел при данной температуре является постоянная величина, равная спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Закон Стефана-Больцмана Связь между энергетической светимостью и температурой устанавливает закон Стефана-Больцмана (энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры):

Спектральное распределение r(λ, T) излучения черного тела при различных температурах

Закон смещения Вина Длина волны, на которую приходится максимум энергетической светимости определяется по закону смещения Вина: b = 2,898·10 –3 м·К – стала Вина

Вывод из закона Вина Из закона смещения Вина следует, что с увеличением температуры, максимум энергетической светимости смещается в сторону коротких длин волн.

Спектры поглощения: 1 - Солнца, 2 - водорода, 3 - гелия, 4 - Сириуса (белая звезда)

Формула Рэлея–Джинса

Сравнение закона распределения энергии по длинам волн

Плотность энергетической светимости На основе представлений о квантовом характере теплового излучения Планк получил следующее выражение для плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Регистрация инфракрасного излучения На регистрации инфракрасного излучения, излучаемого кожей человека, базируются современные термографические приборы, которые называются тепловизорами.

Регистрация инфракрасного излучения На экране тепловизора возникает тепловая картина, на которой более светлые участки соответствуют поверхностям тела с повышенной температурой, значительно облегчает установление диагноза болезни.

Регистрация инфракрасного излучения Фотографирование в инфракрасных лучах способствует диагностированию кожных и сосудистых заболеваний.

Ультрафиолетовое излучение Ультрафиолетовое излучение охватывает область длин волн от 380 нм (граница видимого света) и до 10 нм (граница рентгеновского излучения). Оно подразделяется на дальний ( нм) и ближний ( нм)

Поглощение ультрафиолетового излучения Ультрафиолетовое излучение (УФ) поглощается стеклом, но при длине волны более 200 нм проходит через кварц, каменная соль и специальное стекло. При длинах менее 200 нм излучения поглощается тонким слоем произвольной вещества, даже воздухом.

Действие ультрафиолетового излучения В ткани организма УФ проникает на 0,1-1 мм и вызывает при этом сильную биологическую реакцию, которая проявляется в виде эритемы. Эритемой называют интенсивное покраснение кожи, которое проявляется через часов после облучения, позже оно переходит в светло-коричневую пигментацию - загар.

Действие УФ облучения Под действием УФ облучения образуется витамина Д, который способствует всасыванию из кишечника и усвоения кальция, который входит в состав костей и выполняет ряд существенных физиологических функций. Витамин Д образуется в организме под действием УФ с длинами волн от 280 до 315 нм.

Зоны ультрафиолетового излучения Зона А - антирахитна. Длина волны от 400 до 315 нм; отличается укрепляющим и закаляя организм действием. Используется в гигиенических и профилактических целях.

Зоны ультрафиолетового излучения Зона В - эритемная. Длина волны от 315 до 280 нм;, характеризующееся эритемной действием, наиболее выражена при длине волны 296,7 нм. Используется в лечебных целях.

Зоны ультрафиолетового излучения Зона С - бактерицидное. Длина волны от 280 до 200 нм, отличается бактерицидным действием, наиболее выраженная при длине волны 253,7 нм. Используется в качестве средств дезинфекции.

4. Явление люминесценции Кроме теплового излучения тел при температуре Т, есть еще один вид излучения тел, избыточного над тепловым. Оно называется люминесценцией и имеет продолжительность более с, что значительно превышает период ( c) световых волн. Люминесценцию можно вызвать бомбардировкой тел электронами, пусканием сквозь вещество электрического тока или действием электрического поля, освещением видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе. В зависимости от способов возбуждения люминесцентного свечения различают соответственно катодолюминесценцию, электролюминесценции, фотолюминесценцию, Рентгено- люминесценция, хемилюминесценцию.

Люминесценцию со временем затухания порядка с называют обычно флуоресценцией. Такое время затухания характерен для жидкостей и газов. Люминесценция, которая сохраняется длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называют фосфоресценции. Такое длительное высвечивания Имеют твердые тела Способны люминесценциюваты. Рассмотрим явление фотолюминесценции, которое возбуждается электромагнитным излучением видимого или ультрафиолетового диапазона. Фотолюминесценции изучал еще Д.Стокс, который установил, что фотолюминесценциююча вещество излучает как правило, свет, имеющий большую длину волны, чем то излучение, которое вызывает люминесценцию

, которая по закону сохранения энергии, частично расходуется на создание кванта люминесцентного излучения с энергией, и на различные неоптические процессы: Действительно, фотон света, возбуждает фотолюминесценция, имеет энергию (6.32) где Е - энергия, затраченная на различные процессы, кроме фотолюминесценции. конечно Е>0 і, то есть, что соответствует правилу Стокса. В некоторых случаях фотолюминесцентных излучение имеет длину волны меньше длины волны возбуждающего света (так называемое антистоксовой излучения).

Это явление объясняется тем, что к энергии Кванта возбуждающего излучения добавляется энергия теплового движения атомов (молекул или ионов) люминесцирующей вещества: (6.33) где а- коэффициент, зависящий от природы люминесцирующей вещества; k- постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура. Антистоксовой излучения проявляется все четче с повышением температуры.

На явлении люминесценции основывается люминесцентный анализ, принцип которого такой, Вещество или сама по себе, или после соответствующего действия дает характерное люминесцентное свечение. По характеру этого свечения можно, определяя интенсивность линии в спектре, определить не только качественный, но и количественный содержание исследуемого вещества. Люминесцентный анализ позволяет выявить наличие скудных примесей порядка г в 1 г исследуемой величины. Его успешно применяют в биологии и медицине. Ряд биологически функциональных молекул, например молекулы мембранных белков, обладает флуоресценцией. Параметры флуоресценции чувствительны к структуре окружения флуоресцирующего молекулы, поэтому по люминесценции можно изучать химические превращения и межмолекулярные взаимодействия.

Фотометрия Раздел оптики, изучающий методы и приемы измерения энергии, переносимой электромагнитные световые волны, называется фотометрии.

Световой поток Световым потоком Ф называется мощность видимого излучения, оцениваемого по зрительным ощущениям.

Спектральная чувствительность Отношение светового потока к потоку излучения зависит от длины волны и называется спектральной чувствительностью U.

Зависимость относительной спектральной чувствительности U человеческого глаза от длины волны 1 0,

Точечный источник света Точечным источником света называется источник, линейные размеры которого значительно меньше расстояния между ним и точкой наблюдения.

Сила света Силой света называют величину светового потока Ф внутри телесного угла к величине этого угла. Если точечный источник равномерно излучает свет во всех направлениях, то : где Ф - мощность источника во всех направлениях.

Освещенность Освещенность - это величина светового потока, падающего на единицу площади :

Освещенность Освещенность площадки S перпендикулярной к оси светового потока, определяется силой света i и расстоянием R от точечного источника к площадке S:

Сравнение освещенности площадок Сравнивая освещенности площадок, расположенных на разных расстояниях от точечного источника, найдем:

Светимость Светимость - это величина, равная отношению светового потока Ф, которое излучает поверхность источника к площади S, этой поверхности:

Яркость Яркостью B в направлении называется величина, равная отношению силы света I в этом направлении площади проекции S свiтнои поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения: где плоскость проекции S =S cos, S - площадь поверхности.

Сила света Сила света - одна из основных величин международной системы единиц СИ, она измеряется в канделах (кд) и обозначается через І. Кандела равна силе света в заданном направлении, излучающий монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, сила излучения которого в этом направлении составляет

Единицы измерения светового потока За единицу светового потока взято люмен (лм). Люмен равен световому потоку, который излучает источник внутри единичного телесного угла 1 ср при силе света 1 кд.

Единицы измерения освещенности Единицей измерения освещенности является люкс (лк). Люкс равен освещенности поверхности площадью 1м при падающем на нее световому потоку 1 лм.

Использованная литература 1.Емчик Л.Ф., Кмит Я.М. Медицинская и биологическая физика: Учебник-М.: Мир, с. 2. Марценюк В.П., Дидух В.Д., Ладыка Р.Б., Баранюк И.А., Сверстюк А.С., Сорока И.С. Учебник "Медицинская биофизика и медицинская аппаратура" Тернополь: Укрмедкнига, 2008, 355 с. 3. Зисман Г.А., Курс общей физики. / А. Зисман, А.Н. Тодес / / - М.: Наука, с. 4. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. / А.Н. Ремизов / / - М.: Высшая школа, с. 5. Чалый А.В. Медицинская и биологическая физика в 2-х томах. / А.В. Чалый / / - М.: ВИПОЛ, с. 6. Яворский Б.М., Курс физики ч.ИИ, / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, Л.Б. Милковська / / - М.: Высшая школа, с.