Теплове випромінювання. Основні поняття та закони квантової фізики. Люмінесценція

1.

Кафедра медичної та біологічної фізики і медичної
інформатики
Дисципліна «Медична та біологічна фізика; Медичні
інформаційні технології»
Тема 17
«Теплове випромінювання. Основні
поняття та закони квантової фізики.
Люмінесценція»

2.

Обґрунтування теми
• Залежно від температури тіла людини змінюються
інтенсивність випромінювання і спектральний склад, тому
теплове (інфрачервоне) випромінювання широко
використовується в медичній діагностиці та терапії.
Квантовою механікою називають сучасну теорію, яка
встановлює спосіб опису і закони руху елементарних
частинок, атомів, молекул, ядер та їхніх систем.
Величезна кількість різних явищ відбувається в результаті
зміни енергії атомів і молекул (наприклад, люмінесценція).
Вивчаючи спектри люмінесценції можна отримати
важливу медико-біологічну інформацію. Тому знання
квантово-механічних явищ - це вимога до кожного
сучасного лікаря.

3.

Мета заняття загальна:
• ознайомитися з основними законами
теплового випромінювання тіл;
• розглянути загальні принципи використання
теплового випромінювання в діагностиці та
терапії;
– досягти розуміння основних понять та
положень квантової фізики;
• розглянути основні види люмінесценції та
використання люмінесцентного аналізу в
медико-біологічних дослідженнях.

4.

Мета заняття конкретна:
знати:
Основні закони теплового випромінювання тіл та його характеристики.
Спектр теплового випромінювання тіла людини.
Фізичні основи діагностичних методик: термоскопія, термометрія,
термографія.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії.
Основні поняття та закони квантової фізики:
стаціонарне рівняння Шредінгера, квантово-механічну модель атому
водню;
принцип Паулі.
співвідношення невизначеностей Гейзенберга.
правила відбору.
Фізичні основи явища люмінесценції та її різновиди.
Причини виникнення фотолюмінесценції (флюоресценції та
фосфоресценції).
Закон Стокса та відхилення від нього (антистоксівську люмінесценцію).
Використання люмінесцентного аналізу в медико-біологічних
дослідженнях.

5.

Теплове випромінювання
• Теплове випромінювання — це електромагнітне
випромінювання, що створюється тепловим рухом
заряджених частинок в речовині.
• Вся матерія з температурою вище абсолютного
нуля є джерелом теплового випромінювання.
• Будь-яке тіло здатне як випромінювати, так і
поглинати теплове випромінювання інших тіл.

6.

Діапазон хвиль теплового
випромінювання

7.

Характеристики теплового
випромінювання
1. Енергетична світність R (Вт/м2 )
2. Спектральна щільність енергетичної
світності r (Вт/м3)
3. Спектр теплового випромінювання
4. Коефіцієнт поглинання теплового
випромінювання тілом
5. Монохроматичний коефіцієнт поглинання

8.

• Якщо теплове випромінювання створюється якоюсь
поверхнею, то фізична величина, що визначається
відношенням потоку випромінювання, що виходить
від малої ділянки поверхні, до площі цієї ділянки,
називається енергетичною світністю (R), тобто
• де dΦе - потік випромінювання, що виходить від
ділянки поверхні, що випромінює, площею dS.
• Енергетична світність вимірюється у ватах на
квадратний метр (Вт/м2) і є, по суті, інтенсивністю
випромінювання, що створюється поверхнею.

9.

• Для того, щоб охарактеризувати розподіл
інтенсивності за довжинами хвиль у спектрі
теплового випромінювання вводиться поняття
спектральної щільності енергетичної світності (r)
де dR - енергетична світність пов'язана з
випромінюванням, довжина хвилі якого лежить в
заданому діапазоні.
Спектральна щільність енергетичної світності
вимірюється у ватах на кубічний метр (Вт/м3).

10.

• Залежність спектральної щільності
енергетичної світності тіла (r) від довжини
хвилі випромінювання називають спектром
теплового випромінювання цього тіла.
• Теплове випромінювання має неперервний
спектр.

11.

• Здатність тіла поглинати теплове випромінювання
характеризується величиною, що визначається
відношенням поглиненого потоку випромінювання до
падаючого потоку випромінювання й називається
коефіцієнтом поглинання (
)
погл
Ф пад
де Фпад - падаючий потік теплового випромінювання, а
Фпогл - поглинений потік випромінювання.

12.

(
)
• Оскільки здатність тіла поглинати випромінювання
залежить від довжини хвилі цього випромінювання,
для характеристики поглинаючої здатності тіла слід
використовувати монохроматичний коефіцієнт
поглинання
d погл
d пад
• де dФпад та dФпогл - потік теплового випромінювання,
що падає на тіло, та потік теплового випромінювання,
що поглинається цим тілом, відповідно, причому ці
потоки відносяться до даного діапазону довжин
хвиль.
• Значення монохроматичного коефіцієнта поглинання
лежить в діапазоні від 0 до 1.

13.

14.

15.

• Формулу, що відповідає експериментальним даним
про залежність спектральної щільності енергетичної
світності чорного тіла від довжини хвилі (частоти)
випромінювання, теоретично одержано Планком.
Формула Планка має вигляд
• де h - стала Планка, c - швидкість світла у вакуумі, k стала Больцмана, T - абсолютна температура, довжина хвилі випромінювання.

16.

Закон Стефана-Больцмана:
енергетична світність (R) чорного тіла пропорційна
четвертому ступеню його абсолютної температури (T)
де