Медицинская и биологическая физика Под общей редакцией член- корреспондента АПН Украины профессора А.В.Чалого II том. - презентация

1 Медицинская и биологическая физика Под общей редакцией член- корреспондента АПН Украины профессора А.В.Чалого II том

2 Раздел 9. Элементы квантовой механики (стр )

3 Автор работы Пешеходина Марианна Алихановна Ученица 11Б класса Украинского медицинского лицея НМУ имени А. А. Богомольца Руководитель : Лялько В.И.

4 Содержание 9.1. Основные представления квантовой механики 9.2. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами 9.3. Люминесценция 9.4. Индуктивное излучение 9.5. Электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и их медико-биологическое применение 9.6. Практикум из квантовой механики

5 Основные представления квантовой механики Место квантовой механики в системе наук о движении тел; Гипотеза де Бройля; Соотношение неопределенности Гейзенберга; Основное уравнение квантовой механики; Уравнение Шредингера; Многоэлектронные атомы;

6 Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами Атомные спектры Молекулярные спектры - Спектральные серииСпектральные серии - Применение спектровПрименение спектров

7 Люминесценция Виды люминесценции Фотолюминесценция. Закон Стокса Механизм люминесценции

8 Индуктивное излучение Равновесная и инверсная заселенность Строение и принципы действия лазера

9 Электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и их медико- биологическое применение Метод электронного парамагнитного резонанса Метод спиновых меток Спин-Иммунологический метод Метод ядерного магнитного резонанса

10 Практикум из квантовой механики ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ Основные представления квантовой механики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Применение фотоэлемента для измерения освещенности и определения его чувствительности ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Изучение работы оптического квантового генератора

11 Наука, которая описывает движение микрочастиц, то есть элементарных частиц, ядер атомов, молекул и систем, что из них складываются. Законы квантовой механики составляют основу для изучения строения вещества, дают возможность выяснить строение атомов, природу химических связей, объяснить периодическую систему Д.И.Менделеева. Квантовая механика

12 Место квантовой механики в системе наук о движении тел Существует четыре вида механики: 1. Классическая механика Ньютона – Галилея (XVII в.) справедливая, когда скорость тела x значительно меньше скорости распространения света с (x

13 Все эти механики были несовершенны и решение этой проблемы было предложено Бором 1 Из бесконечного множества электронных орбит совершаются только стационарные орбиты, для которых момент количества движения кратен до где

14 2. Излучение атомами электромагнитных волн происходит при переходе электронов с одной стационарной орбиты на другую. Частота волн определяется разницей энергии стационарных состояний до и после измерения

15 Гипотеза де Бройля Первым шагом на пути создания новой квантовой теории была гипотеза Л.Бройля о дуализме оптических явлений, который значит: СВЕТ это электромагнитные волны. это поток фотонов, которые характеризуются энергией Еф, массой тф и импульсом Рф. Согласно гипотеза де Бройля длина волны составляет:

16 В 1927 году гипотеза де Бройля получила блестящее эксперементальное поттверждение. К.Девисон и Л.Джермер наблюдали дефракцию электронов при их отрожении от монокристала Ni.

17 экран Металическая фольга Электронная пушка Дифракция электронов при прохожднии тонкой алюминеивой фольги.

18 Основное уравнение квантовой механики Уравнение, которое описывает движение микрочастицы, должно воспроизводить ее волновые свойства:

19 Соотношение неопределенности Гейзенберга Всегда существует неопределенность в значениях координаты и импульса, связанные определенным соотношением, которое было установлено в 1927 году немецким физиком В.Гейзенбергом. Из этого отношения выплывает, что чем точнее мы попробуем определить координату частицы, тем с меньшей точностью сможем описать ее импульс:

20 Уравнение Шредингера для атома водорода Потенциальная энергия системы электрон-ядро в атоме водорода имеет вид кулоновской потенциальной энергии: С учетом этого выражения запишем уравнения Шредингера для самой простой атомной системы – атома водорода:

21 Разные формы электронных орбитлей

22 Возможные ориентации вектора момента количества движение относительно направления внешнего поля

23 Многоэлектронные атомы Получить точное решение уровня Шредингера для многоэлектронной системы не возможна. Сложность заключается в том, что электрон двигается не только в силовом поле ядра, но и в поле других электронов. При этом распределения электронов атома по орбиталях подчинено фундаментальному принципу ПАУЛЕ, который заключается в том, что в атоме не может быть двух ли больше электронов с четырьмя одинаковыми квантовыми числами n 1 m1/ Совокупность электронов с данным значением n в многоэлектронном атоме называют слоем и начинается определенным символом, в соответствии со значением n: n - 1, 2, 3, 4, … слой (уровень) - K,l,m,n….

24 Количество электронов на разных подуровнях и слоях атомов СлойКоличество электронов ПодуровеньКоличество электронов KLMKLM SPDSPD

25 Атомные спектры Длина волн или частоты, которые излучают или поглощают атомы при переходах электронов между разными энергетическими уровнями характеризуют спектры излучения и поглощения. Оптичными атомными спектрами называют спектры излучения и поглощения свободных или слабо взаимодействующих атомов, которые обусловлены переходами между энергетическими уровнями валентных электронов.

26 Закономерности атомных спектров на примере водорода При использование уравнения Шрединга была получена формула возможных энергетических значений водорода. По этим данным была построена диаграмма энергетических уровней атома водорода. По этим данным была построена диаграмма энергетических уровней атома водорода.

27 Диаграмма энергетических уровней атома водорода E.eB Диаграмма энергетических уровней атома водорода

28 Молекулярные спектры В отличии от энергии атомов, энергия молекулы определяется: - Энергетическим состоянием электронной оболочки; - Kолебательной энергией ядер атомов, которые входят в состав молекулы; - Энергией вращения ядер вокруг общего центра масс.

29 Полная энергия молекулы В общем, эти три вида энергии взаимосвязаны, но в достаточном приближении можна пренебречь их взаимным влиянием. Тогда полная энергия молекулы может быть подана в виде суммы электронной, колебательной и вращательной енергий: Е = Еэл + Екол + Евр

30 Структура энергетических уровней молекулы Электронная оболочка молекулы, как и атома, может находиться в разных энергетических состояниях. Пускай равные Еэл та Еэл отвечают основной и возбужденной электронным конфигурациям. Каждой из этих электронных конфигураций отвечают свои колебания ядер, в результате чего мы получим два набора колебательных уровней для основной и возбужденной электронных конфигураций. Структура энергетических уровней молекулы

31 Вращательный спектр Если возбуждение молекулы не значительное то: в этом случае наблюдаем переходы между вращательными подуровнями в пределах одного колебательного уровня. Частоты, которые излучаются (поглощаются) при таких переходах, создают вращательный спектр.

32 Колебательно - вращательный спектр Пускай возбуждение молекулы приводит к изменению колебательной энергии ядер- тогда возникает колебательно-вращательный спектр, который расположен в ближней инфракрасной области. Он состоит из полос, которые распадаются на отдельные линии, что обусловлено переходами между вращательными подуровнями в пределах одного и того же электронного уровня.

33 Электронно – колебательно – вращательный спектр При значительном возбуждении молекулы возникает электронно - колебательно - вращательный спектр, который наблюдается при этом, лежит в видимой и ультрафиолетовой областях. Он состоит из полос, созданых отдельными линиями, которые отвечают переходам между вращательными подуровнями разных электронных конфигураций.

34 Спектральные серии Спектр излучения атома водорода состоит из отдельных групп линий, которые називаются спектральными сериями. Каждой серии отвечает набор частот, который излучается атомами при переходе электрона на определенный энергетический уровень со всех выше расположеных уровней.

35 Cерия Лаймана При переходе электрона на основной энергетический уровень (n = 1) со всех остальных уровней (n = 2, 3, 4,...) излучается серия Лаймана, которая лежит в ультрафиолетовой области.

36 Cерия Бальмера При переходе электрона на основной энергетический уровень с главным квантовым числом n = 2 с более высоко расположеных уровней излучается серия Бальмера, которая лежит в видимой и ближней ультрафиолетовой областях.

37 Cерия Пашена При переходе возбужденного электрона на уровень, который характеризуется главным квантовым числом n = 3, со всех вышерасположеных уровней излучается серия Пашена, которая лежит в инфракрасной области.

38 Граничная линия" серии Следует отметить, что в каждой серии расстояние между линиями уменьшается при переходе к более коротким волнам. При этом каждая серия имеет коротковолновую границу, за предел которой она не виходит. Эта граница называется "граничной линией" серии.

39 Применение спектров Спектры поглощения (абсорбции) и излучения (эмисии) данного сорта молекул дают возможность использовать их для проведения качественного и количественного анализов, а также для идентификации веществ. Особенно важным источником информации о строении органических молекул и характере межмолекулярних взаимодействий является абсорбционные колебательные и электронные спектры.

40 Идентификация веществ с помощью спектрофотометров Для идентификации веществ, определения их концентрации, структурных параметров макромолекул и их окружения измеряется ступень поглощения света. Поглощение света проявляется в ослаблении светового потока, который прошел через исследованное вещество. Эти закономерности отображены в законе Бугера- Ламберта-Бера.

41 Схема спектрофотометра Свет от источника излучения (1) проходит через монохроматор (2) для выделения составляющей с определенной длинною волны. Раствор исследываемого вещества и чистый растворитель находятся в двух кюветах (3) и (4), размещенных в специальных держаках. Свет проходит через кювету и падает на фотоелемент (5), исходящий сигнал которого регистрируется измерительным прибором (6).

42 Принцип работы спектрофотометра Принцип работы спектрофотометра заключается в измерении интенсивностей света, который прошел через растворитель, а также через раствор вещества в том же самом растворителе. Разница этих интенсивностей дает возможность сделать вывод о ступене поглощения света.

43 Люминесценция - Согласно закону Кирхгофа тепловое излучение любого тела в любой области спектра всегда меньше за тепловое излучение абсолютно черного тела в той же области спектра и при той самой температуре. - Оптическое измерение тела, которое есть избыточным над тепловым излучением того самого тела в данной спекторний области при той же температуре и имеет продолжительность свечения большую за , называется люминесценцией.

44

45 Виды люминесценции Начальным актом люминесценции являются возбуждения атома или молекулы. В зависимости от способа возбуждения различают такие виды люминесценции: - Электролюминесценция (свечение газов при электрическом разряде). - Катодолюминесценция (свечение, возбужденное ударами электронов).Катодолюминесценция - Хемолюминесценция (свечение, которое сопровождает экзотермические химические реакции). - Радиолюминесценция (свечение под действием ядерного излучения). - Биолюминесценция (свечение биообъектов). - Фотолюминесценция (свечение под действием оптического излучения видимой или ультрафиолетовой областей).

46

47 Фотолюминесценция Фотолюминесценцией жидкий и твердых тел можна наблюдать при освещение их светом в видимом или ультрафиолетовом диапазонах. Реестрацию люминесцентного излучения исполняют с помощъю спектрофлуориметра.

48 В биологии и медицине реестрация люминесцентного излучения используется для качественого и количественного анализов, длч изучение строения и функций биологических систем.

49 Главные параметры люминесценции - спектр люминесценции; - квантовый выход; - поляризация люминесценции; - время жизни молекулы в возбужденном состоянии. - интенсивность люминесценции зависит от интенсивности возбуждающего света, способности вещества поглощать свет, концентрации вещества и квантового выхода люминесценции.

50 Закон Стокса Спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра возбуждающего излучения. Отклонения от закона Стокса особенно удобно наблюдать во время возбуждения фотолюминесценции монохроматическим светом (узкой спектральной полоской).

51 Механизмы люминесценции 1. Атом, что поглощает квант возбуждающего излучения, переходить с основного на висший енергетический уровень. Через промежуток времени атом возврощается единым излученным актом в основное енергетическое состояние. Такой механизм называется резонансной флуоресценцией.

52 2. Возвращение атома или молекулы с возбужденого состояния в основной может происходить: - в результате чередования излученных и неизлученных переходов; - ступенчато, в результате переходов между промежуточными енергетическими уровнями.

53 3. Квант возбужденного излучения поглощается атомами или молекулами, что находятся в возбужденном состояние. При переходе их в основное состояние излучается фотон с большей енергией сравнительно с поглощеными. Именно так возникает антистоковое излучение.

54 4. Переход атома или молекулы с возбужденого состояния в основное может происходить через промежуточное, так называемое метастабильное состояние, переход с которого в основное состояние есть маловероятным в силу действия правил запрета.

55 Переход молекулы из триплетного (метастабильного) в основное состояние может осуществиться как в результате безлучеиспускательного так и лучеиспускательного переходов. Излучения, которое сопровождается переход называется фосфоресценцией.

56 Фосфоресценция отличается от флуоресценции продолжительностью после свечения.

57 Вероятность излучаемого перехода атома или молекулы с метастабильного енергетического уровня на основной увеличивается во время действия на них внешнего фотона, который имеет енергию, что ровняется енергии фотона, который излучается самостоятельно. Такой излучаемый переход под действием внешнего излучения называется принужденый или индуктивный.

58 Особенности люминесцентного излучения: - люминесцентное излучение продолжается некоторое время после устранения причины, что его вызывает; - каждое вещество имеет определенный, характерный именно для него спектр люминесценции.

59 Индуктивное излучение Индуктивное излучение впервые теоретически было доказано А. Эйнштейном. Существует два вида излучения: спонтанное и принудительное. Принудительное излучение имеет довольно ценные свойства, так как распространение его совпадает с внешним излучением, и их фазы и частоты тоже совпадают.

60 Таким образом, индуктивное излучение тождественное внешнему во всех отношениях. В 1940 В.А.Фабрикант предложил использовать опыт Эйнштейна для усиления электромагнитных волн. Рассмотрим детальнее... Поглощение Принудительное поглощение

61 Равновесная и инверсная заселенность Распределение Больцмана. Основная суть закона заключается в том что, с увеличением энергии, заселенность уровня уменьшается. Это и есть так называемая равновесная заселенность энергетических уровней. В этом случае фотон с энергией с равными вероятностями будет индуктировать переходы. Отсюда переходы между уровнями пропорциональные заселенности исходного уровня. Заселение энергетических уровней называется инверсией.

62 В веществе с инверсией принудительное излучение будет превышать поглощение, вследствие чего внешнее излучение при прохождении через вещество будет усиливаться. Идея В.А. Фабрикова была практически осуществлена в 1954 году, физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо Таунсом. Ими был впервые созданный мазер- генератор радиоволн в микроволновом диапазоне. В 1960 году Меиманом было создано аналогичное устройство- лазер, оптический квантовый генератор.

63 Строение и принципы действия лазера Работа лазера начинается из использования внешнего источника энергии для создания инверсной заселенности энергетических уровней. Этот процесс называется - подкачкой. Рассмотрим на принципе рубинового лазера. Рабочим телом этого лазера является кристалл искусственного рубина. При поглощении света ионы переходят в возбужденное состояние, возвращение их в основное состояние возможное 2 способами.

64 Ионы бесизлучательно переходят на метастабильный уровень. При подкачке создается инверсная заселенность основного и метастабильного уровней.

65 Фотон - это квант поля электромагнитного излучения. Этот способ заключается в том, что при спонтанном переходе, фотон вызывает возрастающий поток фотонов в результате индуцированных лучеиспускательных переходов возбужденных ионов между уровнями.

66 Четыре основные принципа применения лазера в медицине: - Бескровная хирургия - Офтальмология - Микрохирургия - Гастроскопия

67 - Бескровная хирургия: - Вскрывая ткань, лазерный луч вызывает коагуляцию белка, предотвращая капиллярному кровотечению. - Офтальмология: - Используется для приваривания отслоенной сетчатки и для лечения глаукомы. - Микрохирургия: - Использование лазера дает возможность выборочно разрушать клеточные организмы. - Гастроскопия: - С помощью лазера и волоконной оптики создан гастроскоп - прибор, который дает возможность формировать голографичное воспроизведение внутренней пустоты желудка.

68 Метод электронного парамагнитного резонанса - Электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и их медико-биологические применения. - Метод электронного парамагнитного резонанса. - Метод спиновых меток. - Спин-Иммунологический метод. - Метод ядерного магнитного резонанса.

69 Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто советским физиком Э. К. Завойським в 1944 году. Парамагнетизм частичек с неспаренным электроном, как правило имеет спиновый характер, т.е. обусловленный наличием нескомпенсированного спинового магнитного момента электрона, который можно записать:Рms=g*µб *S, где S-спиновое число, g- так называемый "жи- фактор",µ- магнетон Бора.

70 При отсутствии магнитного поля, называют – Ео, записывается: Е= Ео + ΔЕ, где ΔЕ- Дополнительная энергия. Протекция спинового момента:Рms=-g*µ*ms,m- магнитное спиновое число. Равенство приобретает такой вид: E=Eo+ g*µб*ms*B. Отсюда:Eo=E1=E2, итак можно определить что: h ט =E1-E2=g*µб*B.

71 Условие резонанса можно осуществить 2 способами: При постоянном магнитном поле (В=const) варьируется ?. При неизменной частоте (?=const) варьируется индукция магнитного поля В. Для получения информации об исследуемой системе рассматриваются такие параметры спектра ЕПР: Интегральная интенсивность сигнала Положение линии поглощения в спектре Ширина линии и ее форма Сверхтонкая структура сигнала ЕПР

72 Метод спиновых меток Для изучения структуры и функций биологических мембран с успехом применяют метод спиновых меток. Используют так: В роли спиновых зондов спин - меченные аналоги стеариновых кислот и вводят их в оболочки эритроцитов. Вводят также в биологические мембраны спин - меченных жирных кислот или синтезированных на их основе фосфолипидов, было выявлено изменение структуры мембраны. Методом ЕПГ было впервые экспериментально доказано существование фосфолипидного переворота.

73 Спин-Иммунологический метод Первейшим клиническим применением метода спиновых меток был спин - иммунологический метод. СИМ состоит из 3 этапов: Синтез спин - меченной модели данного биологически - активного соединения Получение специфических антител против данного вещества Определение с помощью комплекса спин - меченного соединения с антителом содержимого искомого биологически активного вещества в биологических жидкостях

74 Метод ядерного магнитного резонанса Ядерный магнитный резонанс открыт в 1946 году Ф. Блохом и Э.Парселлом. Принцип действия: Рассмотрим частный случай- протонный магнитный резонанс: Р=gя * µя * J, где J- спиновое квантовое число ядра, g- ядерний магнетон, µ- жи - фактор для ядра. Во внешнем магнитном поле система протонов распадается на 2 подсистемы: h ט = gя* µя* B.

75 В реальном виде условие ядерного резонанса поглощения имеет такой вид: h ט =gя* µя* (B+ Bлок )

76 - Для получения информации об исследуемых молекулах используют четыре параметра спектра ПМР: - Интегральная интенсивность линии. - Положение линии, или химический сдвиг. - Ширина полосы. Спин - спиновое расщепление.

77 Интегральная интенсивность линии: Определяется площадью под кривой поглощения и пропорциональная количеству протонов, которые находятся в данном химическом окружении. Положение линии: Определяется смещением линии поглощения протонов относительно линии поглощения протонов эталонного соединения- тетраметилсилану.

78 Ширина полосы: Определяет, как и в методе ЕПР, характер молекулярного движения. Спин - спиновое расщепление: Возникает в следствие возмущения системы ядерных спинов.

79 Контрольные вопросы: - Кто теоретически довел индуктивное излучение? - Что такое фотон и где его используют? - Какие принципы применения лазера в медицине? - Когда было открыто явление электронного парамагнитного резонанса? - Как используют метод спиновых меток?

80 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ Основные представления квантовой механики - Волновые свойства частиц. Формула де-Бройля. - Электронный микроскоп, его граница различения. - Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

81 Волновые свойства частиц. Формула де Бройля. Задача 1 Сравнить длины волн де Бройля для электрона и шарика с массой m= 1 г, если они имеют одинаковые скорости, что равны u= 100 м/с. Как определить экспериментально длину волны де Бройля для шарика и электрона, что двигаются?

82 Эталон решения Согласно гипотезе де Бройля любые частицы или предметы, что двигаются, обладают волновыми свойствами. Они могут быть охарактеризованны длиной волны, которая связана со скоростью движения Формулой λ = h/mu Вычислим длину волны де Бpойля для шарика λ к= 6,62*10-34 / 1*10-3 = 6.62*10-33 Вычислим длину волны де Бpойля для электрона λ е = 6.62*10-34 / 9.1*10-31 *10-6 = 7.3*10-6 м Ответ: λ к = 6.62*10-33; λ е = 7.3*10-6.

83 Замечание: Для шарика, который двигается, длина волны настолько мала, что не может быть измеряна никакими экспериментальными методами, тогда как для электрона измерение λ можна осуществить по дифракционной картине, что получается на пространственных структурах - кристаллических решетках.

84 Электронный микроскоп, его разрешающая способность Задача 2 Найти разрешающую способность электронного микроскопа, если ускоряющее напряжение Δφ= 100 кВ, а угловая апертура Q=10- 2 рад.

85 Эталон решения Разрешающая способность микроскопа определяется длиной волны λ излучения, которое используется, числовой апертурой А=nsіnQ и может быть вычислена по формуле: Z = 0.5 λ / n sіnQ "Освещение" объекта в электронном микроскопе осуществляют электронным пучком. Длина волны, что характеризует электроны пучка, определяется скоростью их движения. λ = h / mu Ответ: 2 =0.094 нм.

86 Соотношенние неопределенностей Гейзенберга Задача 3 Пучок электронов движется вдоль электронно- лучевой трубки со скоростью v=10 8 см/с. Скорость определена с точностью до 0,01 %. Имеет ли смысл понятие траектории движения электронов в трубке?

87 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Применение фотоэлемента для измерения освещенности и определения его чувствительности - Цель работы. - Приборы и оборудование. - Краткие теоретические сведения. - Исполнение лабораторной работы.

88 Цель работы: Ознакомиться с принципом действия вентильного фотоэлемента. Определить интегральную чувствительность фотоэлемента. Научиться использовать фотоэлемент для измерения освещенности.

89 Приборы и оборудование Лабораторная установка, что вмещает: селеновый фотоэлемент, лампу накаливания, микроамперметр.

90 Краткие теоретические сведения Вентильный фотоэлемент составляет основу люксметра - прибора для измерения освещенности. Рассмотрим принцип его действия. Как известно, в месте контакта полупроводников р- и n-типов возникает область р - n перехода толщиной 0.1 мкм. Для этой области характерными есть малая концентрация носителей заряда и наличие контактной разности потенциалов. При освещении р – n перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках происходит явление внутреннего фотоэффекта, тоесть возникают пары дырка-электрон.

91 Если рождение такой пары происходит рядом с областью р – n перехода, то и электрон, и дырка могут избежать рекомбинации на пути к р-n переходу. Под действием электрического поля р-n перехода заряды, что возникли, разделяются. Таким образом, разделение зарядов, что возникли, происходит вследствии односторонней проводимости р-п перехода для неосновных носителей. В результате разделения зарядов между полупроводниками р - и n типов возникает електродвижущая сила, ее величина достигает В и определяется количеством электронно-дырковых пар, что возникли в результате внутреннего фотоэффекта. Количество этих пар, в свою очередь, пропорционально количеству фотонов, что падают на фотоэлемент, тоесть освещенности фотоэлемента.

92 Рис Схема селенового фотоэлемента из запирающим шаром.

93 Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, серчатого серебра. В этой лабораторной работе мы имеем дело из селеновым фотоэлементом - На полированную железную пластинку, которая есть одним из электродов фотоэлемента, наносят шар селена из проводимостью р -типа (основные носители - дырки). - Сверху на шар селена напыляют тонкий, прозрачный для световых лучей шар серебра, который исполняет роль другого электрода. - За счет диффузии атомов серебра в шар селена последний приобретает проводимость n-типа (основные носители - электроны).

94 Между чистым селеном и селеном с примесями серебра возникает область р-n перехода. Свет легко проходит сквозь прозрачную пленку и вызывает явление внутреннего фотоэффекта в шаре селена (в основном в шаре селена n- типа). В результате разделения зарядов – электронов и дырок – электрическим полем р-n перехода возникает електродвижущая сила, при этом железная пластинка имеет положительный заряд. Если пленку серебра соединить с железной пластинкой проводником, подключив в цепь гальванометр, то последний покажет присутствие электрического тока, что течет во внешней цепи от железа Fе (+) к верхнему электроду М (-).

95 Таким образом: Вентильный фотоэлемент ведет себя при освещении как генератор ЭДС, причем величина фототока і ф является пропорциональной к величине светового потока Ф, который падает на активную поверхность фотоэлемента: i ф = к ф. Коэффициент пропорциональности называеться интегральной чувствительностью. Он чисельно равен силе тока в цепи фотоэлемента, который возникает при условии освещения активной поверхности световым потоком в 1 люмен: к = i ф /Ф мкА/лм

96 Чувствительность селеновых фотоэлементов очень значительна и может достигать 500 мкА/лм. Если активная поверхность фотоэлемента освещается потоком света Ф, то Ф=ЕS, где £ - освещенность поверхности фотоэлемента. Итак, имеем іф =кФ = кЕS. Поскольку интегральная чувствительность фотоэлемента к и его активная поверхность 5 - величины постоянные, то величина фототока і ф является пропорцональной к освещенности Е.

97 Освещенность фотоэлемента в случае Точечного источника света (когда расстояние между лампой и фотоэлементом значительно больше, чем размеры нитки накаливания лампы) рассчитывается по формуле: Е = І/R 2, Где R - расстояние между источником света и поверхностью фотоэлемента, а I – сила света дисточника (значение / указано на приборе).

98 Исполнение лабораторной работы Задание 1 Сделать градуирование вентильного фотоэлемента. - Ознакомиться с лабораторной установкой для градуирования фотоэлемента -- Подключить источник света к источнику тока. - Для 5-6 расстояний R между фотоэлементом и дисточником света определить силу фототока. - Для каждого из этих расстояний рассчитать освещенность Е за формулой Е = І/R 2 в люксах (лк). - Результаты внести в таблицу. - За данными таблицы построить график - іф =f(Е).

99 - Рис Установка для градуирования фотоэлемента. - Результат внести в таблицу. - По данным таблицы построить график - іф =f(Е).

100 Полученный график может быть использован для измерения освещенности любой поверхности. Для этого достаточно разместить фотоэлемент на этой поверхности и определить іф. Значение освещенности поверхности, что соответствует полученному значению іф, определяется с помощью графика ііф = f(Е).

101 Задание 2. Определить интегральную чувствительность фотоэлемента. На участке графика, где наблюдается линейная зависимость между і ф и освещенностью Е (для очень больших расстояний R взять точку и определить для нее і ф и Е. Вычислить площадь активной поверхности фотоэлемента за такой формулой: S = πd 2 / 4, где d - диаметр поверхности фотоэлемента (указан на приборе). Вычислить величину чувствительности фотоэлемента по такой формуле: к = і ф /SЕ, где значения і ф, Е и S получены в пп. 1,2.

102 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Изучение работы оптического квантового генератора Цель работы. Приборы и оборудование. Краткие теоретические сведения. Исполнение лабораторной работы

103 Цель работы Изучить строение и принцип действия газового лазера, определить основные технические характеристики лазера - длину волны его излучения и энергию кванта.

104 Приборы и оборудование: Гелий-неоновый газовый лазер, дифракционная решетка, экран, миллиметровая линейка.

105 Краткие теоретические сведения. Рассмотрим строение и принцип действия газового гелий-неонового лазера Прибор состоит из трубки, наполненной смесью газов: гелия (под парциальным давлением 1 мм рт. ст.) и неона (под парциальным давлением 0.1 мм). Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия - вспомогательными, которые необходимы для создания инверсной населенности энергетических уровней атомов неона. Возбуждение атомов гелия достигают с помощью тлеющего электрического разряда. Для создания тлеющего разряда в трубку вмонтированы электроды, которые соединены с источником электрического тока.

106 Рис Строение газового гелий-неонового лазера. На рис изображена система энергетических уровней атомов гелия и неона. Под воздействием электрического разряда атомы гелия переходят на возбужденный уровень 2. Вследствии неупругого столкновения атомы гелия передают энергию атомам неона, которые, возбуждаясь, накапливаются на двух близко размещенных метастабильных уровнях 3. Таким образом, в трубке создается среда с инверсной заселенностью энергетических уровней.

107 Спoнтанный переход отдельных атомов Ие из двух метастабильных уровней 3 на промежуточный уровень 2 визывает появление фотонов, которые вызывают индуцированное (принудительное) когерентное излучение с длинами волн λ 1 = нм (красный диапазон) и λ 2 = 1153 нм (инфракрасный диапазон). Для увеличения мощности излучения трубку 1 размещают в зеркальном резонаторе (рис. 9.38). Отражаясь от зеркал и проходя много раз вдоль всей трубки, поток фотонов привлекает к индуцированным переходам все большее количество атомов Nе, вследствии чего интенсивность излучения увеличивается. Трубка 1 с торцов закрыта плоскопараллельными пластинками 4, которые размещены под углом Брюстера к оси трубки. Такое положение пластинок приводит к плоской поляризации лазерного излучения.

108 Для определения длины волны излучения лазера в этой лабораторной работе предлагается использовать дифракционную решетку. Она представляет собой стеклянную пластинку, на которую через равные промежутки а нанесенны параллельные непрозрачные штрихи шириной Ь. Величина а + Ь = d называется периодом (или постоянной) дифракционной решетки. При освещении решетки монохроматическим светом происходит явление дифракции, вследствии которой на экране, размещенному за решеткой, наблюдается дифракционная картина (рис. 9.40).

109 При нормальном падении света на решетку главные дифракционные максимумы характеризуются условием D sin fk = k λ, d - постоянная решетки; λ - длина волны излучения; fk - угол, на который отклоняются лучи, что создали данный максимум; к - целое число, что называется порядком максимума (к = 0, 1, 2, 3,...). Если нам известны значения d, fk и к, то длину волны излучения, что проходит сквозь дифракционную решетку, определяют по такой формуле: Λ=d sin fk/k

110 Поскольку, как правило, углы дифракции fk есть малыми, можна считать, что sin fk = tg fk = l k /L Где: l k - расстояние на экране между максимумами нулевого и k-того порядков; L - расстояние между решеткой и экраном.

111 Задание І Определить длину волны излучения лазера Разместить дифракционную решетку и экран перпендикулярно к оси лазера (рис. 9.40). Рис Определение длины волны лазера с помощью дифракционной решетки.

112 Перемещая экран, получить на нем четкое изображение дифракционной картины. При этом нужно добиться, чтобы на экране наблюдались максимумы не меньше трех порядков. Измерить с помощью миллиметровой линейки расстояние l между решеткой и экраном. Измерить расстояние b между максимумами нулевого(центральное пятно) и первого порядков.

113 Определить значения tg f1 для максимума первого порядка. Определить длину волны λ1 излучения лазера по формуле λ = d sin fk /к. Сделать аналогичные измерения и рассчеты для максимумов второго и третьего порядков. Результаты измерений и рассчетов внести в таблицу. Вычислить среднее значение длины волны λ излучения лазера. Λ = λ 1 + λ 2 + λ 3 / 3

114 Задание 2 Определить энергию кванта излучения по такой формуле: Е = hv =hc/ λ

115 ВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ На основании явления фотоэффекта были созданы приборы, которые называют фотоэлементами. Вакуумные фотоэлементы состоят из стеклянной колбы, часть которой изнутри покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода, что служит катодом. Анодом является диск, розмещенный в центре колбы. Анод и катод подключенные к батарее. Свет проходит через прозрачную часть колбы, попадает на катод и вызывает возникновение тока. Этот ток можно использовать для управления другими приборами…

116 ЯВЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА ФОТОЭФФЕКТОМ називают явление, что связанно с освобождением электронов твердого тела под действием электромагнитного излучения. Различают: - внешний фотоэффект - - внутренний фотоэффект Внутренний фотоэффект – это при котором электропроводность полупроводника или диэлектрика возрастает за счет электронов, вырванных из молекул или атомов под действием света. Вследствие действия света ЭДС может тоже возбуждаться на границе металл- полупроводник или на границе разнородных полупроводников.

117 Оптические атомные спектры - ОПТИЧЕСКИЕ АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ - спектры излучения и поглощения свободных или слабо взаимодействующих атомов, обусловлены переходами между энергетическими уровнями внешних электронов. - Закономерности, свойственны атомным спектрам, рассмотрим на примере спектра излучения атомов водорода. - В результате решения уравнения Шредингера были получены возможные значения энергии атома водорода. Еп = - 1/(4ПЕо)* me4/2n2h2 = - Rh/n2 где R – постоянная Ридберга; n – главное квантовое число.

118 Вентильный фотоэлемент Вентильный фотоэлемент (фотоэлемент из запорным слоем) составляет основу люксметра - прибора для измерения освещенности. Рассмотрим принцип его действия. Как известно, в месте контакта полупроводников р- и n типов возиникает область р - n перехода толщиной 0.1 мкм. Для этой области есть характерными малая концентрация носителей заряда (свободных электронов и дырок) и наличие контактной разности потенциалов. При освещении р - п перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках происходит явление внутреннего фотоэффекта, тоесть образуются пары дырка-электрон.

119 Если рождение такой пары происходит рядом с областью р - n перехода, то и электрон, и дырка могут избежать рекомбинации на пути к р-n переходу. Под действием электрического поля р-n перехода заряды, что образовались, разделяются. Так, например, дырка, что образовалась под действием света в области полупроводника n- типа и достигла области р-n перехода, будет втянута электрическим полем р-n перехода в область полупроводника р-типа, в то время как электрон остается в области полупроводника n-типа. Таким образом, разделение зарядов, что образовались, происходит вследствии односторонней ("вентильной ") проводимости р-n перехода для неосновных носителей (дырок – для полупроводников p-типа и электронов - для полупроводников n-типа).

120 ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП Микроскоп – оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов или деталей их структуры. В микроскопе выделют три основные части: - Механическую - Осветительную - Оптическую К механической части относится штатив, что состоит из основания и тубусодержателя. Оптическая часть, что размещена в тубусе микроскопа, становить центрированную оптическую систему, которая состоит из двух линз – объєктива и окуляра. Осветительная часть состоит из зеркала и конденсатора, который предназначен для концентрирования световых лучей.

121 МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ Получить точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронной системы невозможно. Сложность задачи состоит в том, что электрон движется не только в силовом поле ядра, но и в поле других электронов. И все же распределение электронов по орбиталях многоэлектронного атома может быть достаточно хорошо описанно в приближении, что эти орбитали похожи на орбитали атома водорода. При этом распределение электронов атома по орбиталях подчиняются фундаментальному принципу Паули. Чтобы построить электронную конфигурацию многоэлектронного атома необходимо определить, какое количество электронов может находиться в одном слое, на подуровне, на атомной орбитали. Таким образом, на одном подуровне может находиться (2l + !)*2 электронов.

122 СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ Частоты световых волн линейчатого спектра атомов вещества зависят только от свойств атомов этого вещества и не зависят от способа их возбуждения. К тому же атомы любого вещества дают линейчатые спектры не похожие на линейчатые спектры атомов других веществ. На основании этих особенностей базируется метод определения химического состава вещества по ее линейчатому спектру. Такой метод называется спектральным анализом. Он имеет очень большую чувствительность. Частоты линейного спектра определяются только структурой атомных состояний и есть независимыми. Яркость линий спектра зависит от способа возбуждения атомов вещества. Поэтому для проведения количественного анализа состава вещества необходимо придерживаться стандартных условий возбуждения. Спектральный анализ можна исполнять используя также спектры поглощения. С помощью спектрального анализа были открыты элементы Cs, Rb и другие, определен состав звезд и т.д.

123 Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Скорость электронов может быть определена при условии, что кинетическая энергия электрона равна работе электрического поля по перемещению заряда электрона, а именно: Mu / 2 = e Δφ Учитывая все приведенные выше формулы для разрешающей способности электронного микроскопа получим: Z = 0.5 h / Δφ п sіпQ = 0.94* м.

124 ЛАЗЕР ЛАЗЕРОМ называют оптический квантовый генератор, который есть источником оптического когерентного излучения, что характеризуется высокой направленностью и большой плотностью энергии. Применение лазера в медицине базируется на таких свойствах лазерного излучения: высокой интенсивности, монохроматичности, когерентности и т.д.

125 Напомним некоторые важные области применения лазеров в медицине: 1.Безкровная хирургия. Разрезая ткань, лазерный луч вызывает коагуляцию белка, предохраняя от капиллярного кровотечения. 2.Микрохирургия. Использование лазерного луча дает возможность выборочно разрушать клеточные органели. 3.Гастроскопия. С использованием гелий-неонового лазера и принципов волокнистой оптики создан гастроскоп – прибор, который дает возможность формировать голографическое изображение внутренней полости желудка.

126 Гипотеза де Бройля Согласно гипотезе де Бройля, не только фотон, но и любая материальная частица или тело, что двигается, имеют как корпускулярные, так и волновые свойства и могут быть охарактеризованы длиной волны, связанной со скоростью движения формулой, которая имеет место для фотонов. А именно: λ = h/mu Сделаем оценку длины волны, которой может быть охарактеризован спринтер массой 100 кг, который бежит со скоростью 10 м/с: λ к = 6,6* / 100*10 = 6.6* м.

127 Луи де Бройль Дата рождения: 15 августа 1892( ) Место рождения: Дьепп, Франция Дата смерти: 19 марта 1987( ) (94 года) Место смерти: Лувисьен, Франция Гражданство: Франция Научная сфера: физика Альма-матер: Сорбонна Научный руководитель: Поль Ланжевен Награды и премии Нобелевская премия по физике (1929)

128 Вернер Карл Гейзенберг Дата рождения: 5 декабря 1901( ) Место рождения: Вюрцбург, Германская империя Дата смерти: 1 февраля 1976( ) (74 года) Место смерти: Мюнхен, ФРГ Гражданство: Германия Германия Научная сфера: физика Награды и премии Нобелевская премия по физике (1932)

129 Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер Дата рождения: 12 августа 1887( ) Место рождения: Вена Дата смерти: 4 января 1961( ) (73 года) Место смерти: Вена Гражданство: Флаг Австрии Австрия Научная сфера: теоретическая физика Место работы: Берлинский университет, Оксфордский университет, Грацский университет, Гентский университет, Штутгартский и Бреславский университеты, Цюрихский университет. С 1939 директор основанного им Institute for advanced studies в Дублине Альма-матер: Венский университет Известен как: разработчик квантовой механики и волновой теории материи, «кота Шредингера» Награды и премии Нобелевская премия по физике 1933

130 Теодор Лайман 23 ноября 1874 г. – 11 октября 1954 г. Теодор ЛайманТеодор Лайман – американский физик-экспериментатор, член Национальной АН. Родился в Бостоне. Окончил Гарвардский университет (1897), там же работал с 1902 г. В гг. – директор Джефферсоновской физической лаборатории и в гг. – профессор. Важнейшие научные работы Лаймана посвящены оптике и спектроскопии. В 1906 г. открыл спектральную серию в ультрафиолетовой части спектра водорода (серия Лаймана). Получил ультрафиолетовые спектры газов и металлических искр вплоть до 500 ангстрем. В 1906 г. установил стандарты в ультрафиолетовой области спектра и первый измерил длины волн в области вакуумного ультрафиолета. Предложил двухщелевой вакуумный спектрограф (спектрограф Лаймана). Был президентом Американского физического обществава (1921), Американской академии искусств и наук (1924). Награждён медалью Б. Румфорда и другими научными наградами.

131 Иоганн Якоб Бальмер 1 мая 1825 г. – 12 марта 1898 г. Иоганн Якоб БальмерШвейцарский физик и математик Иоганн Якоб Бальмер родился в Лозанне. Получил образование в университетах Базеля, Карлсруэ, Берлина. В 1849 г. защитил диссертацию на степень доктора в Базельском университете. С 1859 г. преподавал в средней школе, а в гг. – в Базельском университете. Физические работы Бальмера относятся к области спектроскопии. В 1889 г. шведский физик Йоханнес Ридберг обобщил формулу Бальмера, распространив её на все участки спектра электромагнитного излучения атома водорода, включая ультрафиолетовую и инфракрасную области.

132 Фридрих Луис Карл Генрих Фридрих Луис Карл Генрих ( , Шверин, Мекленбург, , Потсдам), немецкий физик. Окончил Страсбургский университет (1888). В профессор Тюбингенского университета, в директор Физико-технического имперского института в Берлине. Установил выражение для потенциала зажигания электрического разряда в газах (Пашена закон, 1889). Обнаружил (1908) первые две линии спектральной серии водорода, названные именем П. Совместно с Э. Баком открыл Пашена Бака эффект (1912), сконструировал высокочувствительный игольчатый гальванометр, газоразрядную трубку с полым катодом и вогнутую дифракционную решётку.

133 Стокс Дата рождения: 13 августа 1819( ) Место рождения: Скрин, графство Слайго, Ирландия Дата смерти: 1 февраля 1903( ) (83 года) Место смерти: Кембридж, Англия Гражданство: Великобритания Научная сфера: Физика и математика Место работы: Кембриджский университет Альма-матер: Кембриджский университет Научный руководитель: Вильям Хопкинс Знаменитые ученики: Гораций Лэмб Известен как: Теорема Стокса Закон Стокса Линия Стокса Стоксовы отношения Стоксов сдвиг Уравнение Навье-Стокса Награды и премии Медаль Рамфорда (1852 г.) Медаль Копли (1893 г.)

134 Больцман Дата рождения: 20 февраля 1844( ) Место рождения: Вена, Австрийская империя Дата смерти: 5 сентября 1906( ) (62 года) Место смерти: Дуино, Италия Гражданство: Австро-Венгрия Австро-Венгрия Научная сфера: теоретическая физика Место работы: * Университет Граца * Венский университет * Мюнхенский университет * Лейпцигский университет Альма-матер: Венский университет Научный руководитель: Й. Стефан Знаменитые ученики: П. Эренфест М. Смолуховский Ф. Хазенёрль Г. Херглотц Известен как: основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории