Рассмотрим поглощение ультразвуковых волн.

Стокс высказал предположение, что коэффициент поглощения ультразвука связан с силами внутреннего трения, которое испытывают колеблющиеся частицы среды при движении под влиянием ультразвуковой волны:

(7.22)

При a=0,5 амплитуда колебаний падает до 0,37 своей первоначальной величины, а зависит от физических свойств вещества и внешних условий: температуры, давления и частоты колебаний.

При частоте колебаний в 40 кГц энергия в воде и мягких тканях падает на 1/3 первоначальной величины.

Биологические ткани в поле ультразвуковых волн нагреваются вследствие поглощения акустической энергии, которая трансформируется в тепловую энергию. Следует отметить, что различные вещества по-разному нагреваются в поле ультразвуковых волн. При падении звуковой волны на границу двух сред часть звуковой волны отражается, часть преломляется и переходит в другую среду.

Доля звуковой энергии, перешедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между величинами акустических сопротивлений обоих сред. Коэффициентом отражения r называется отношение интенсивностей отраженной и падающей волн. Его рассчитывают по формуле Релея:

. (7.23)

Чем больше различаются акустические сопротивления, тем меньшая доля звуковой энергии проникает через границу раздела. Так, из воздуха в воду переходит всего 0,12%. Большое затухание звука происходит в неоднородных и пористых телах в связи с тем, что звук отражается на границе двух сред с различными акустическими сопротивлениями.

Ультразвук позволяет дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего на 0,1%.

Кроме того, ультразвук низких интенсивностей практически безвреден, а ультразвуковая аппаратура компактнее и дешевле рентгеновской. Для повышения разрешающей способности УЗ-диагностики необходимо уменьшать длину волны и повышать частоту. Поэтому в УЗ-акустике используют генераторы с частотой от 1 до 10 МГц интенсивностью 1000 Вт/м².

7.6. Ультразвуковые исследования (УЗИ)

УЗИ основаны на способности ультразвуковых волн (от 1 до 10 МГц) отражаться от границ сред (тканей) и биологических жидкостей с различной плотностью. Эти отраженные лучи попадают в датчик и преобразуются в электрические импульсы с последующей обработкой компьютером и получением своеобразного черно-белого изображения на экране монитора. Высокая информативность и отсутствие лучевой нагрузки делают данный метод одним из важнейших при диагностическом исследовании.

Например, переносной ультразвуковой аппарат ЕАВ-405 (Япония) позволяет проводить весь спектр ультразвуковых диагностических исследований. Отличительной особенностью данного аппарата является наличие функций, присущих лишь стационарным аппаратам, датчиков высокого разрешения с 192 каналами, динамической фокусировки, возможности сканирования в режиме двойной плотности, скоростной системы выработки сигналов, функции обработки сигналов, дистанционного управления.

Ультразвуковой сканер «Пантера» является многоцелевым УЗ - аппаратом для исследований в режимах доплеровского цветного картирования кровотока, энергетического, спектрального и звукового доплера и может с успехом применяться во всех сферах медицины.

Использование управляемого доплера делает возможным визуализацию и исследование кровотока в сосудах, то есть получить с помощью эффекта Доплера полную характеристику кровотока и сердечной деятельности по таким параметрам, как: индекс сопротивления, пульсовой индекс, площадь митрального клапана и т.д. Перемещение между изображениями производится при помощи трэк-блока.

В настоящее время в нашей стране разрабатывается несколько модификаций динамических измерительных эхотомоскопов различного предназначения. Модификации приборов отличаются введением специальных процедур обработки и отображения эхоинформации, а также типом применяемых многоэлементных УЗП.

В новых модификациях динамических приборов предусматривается формирование числового и текстурного «портрета» объектов, включающего определение следующих параметров: соотношение амплитуд произвольно выбранных эхосигналов с учетом диссипативных и дифракционных поправок; среднестатических величин пространственных интервалов между сосредоточенными рассеивателями в ткани; среднестатических величин коэффициента рассеяния на заданном участке ткани, корреляционных функций и коэффициента поглощения в ткани.

Базовые эхотомоскопы снабжены многоэлементными пьезопреобразователями, настроенными на частоту ультразвуковых волн 2,64 и 3,5 МГц и обеспечивают путь линейного сканирования 95 мм и на глубину зондирования до 200 мм. На экране дисплея данных эхотомоскопов наблюдается динамическое отображение исследуемого анатомического сечения с высокой разрешающей способностью.

Численные результаты измерений и параметры формирований эхоизображений отражаются в виде алфавитно-цифровых данных.

Следует отметить, что с помощью «эхографии» и «сонографии» получают изображение среза внутренних органов, который соответствует их реальным размерам и состоянию. Причем ультразвуковые исследования (УЗИ) используются для исследования многих внутренних органов – от мочеполовой системы (почек, мочеточников, мочевого пузыря и простаты) до печени и размеров сердца. Результаты диагностики в значительной степени зависят не только от подготовки специалиста, но и от тщательности исследования.

Таким образом, высокая информативность и отсутствие лучевой нагрузки делают (УЗИ) крайне важными в диагностике патологических состояний организма.

Энергия звука используется в клинических условиях. В первую очередь это относится к ультразвуку. Биологические ткани как поглощают, так и отражают ультразвуковую энергию. Доля звуковой энергии, прошедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между величинами акустических сопротивлений обоих сред.

Ультразвук позволяет дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности на 0,1 %. Ультразвуковые волны могут проникать в биоткань на глубину до 200 мм при интенсивностях практически безурядных для организма.

Вопросы для самопроверки

1. какова амплитудно-частотная характеристика слухового анализатора?

2. Каково строение слухового анализатора?

3. В чем отличие уровня громкости звука и интенсивности звука?

4. Что такое Белл?

5. почему для измерения интенсивности звука пользуются логарифмической шкалой?

6. Чем определяются нижняя и верхняя частотные границы ультразвука?

7. От чего зависит скорость распространения звука?

8. Что такое кавитация?

9. Сущность эффекта Дебая.

10. Как рассчитать коэффициент отражения?

11. Какие колебания называются звуковыми?

12. Напишите закон Вебера-Фехнера.

13. Назовите единицы измерения громкости и интенсивности.

14. С какими параметрами связано акустическое давление?

15. Что называется инфразвуком? Его распространение.

16. Что называется ультразвуком? Какова скорость его распространения?

17. Чему равно акустическое сопротивление?

18. Чему равен коэффициент отражения звуковых колебаний?

19. В чем сущность УЗИ–томографии и других УЗИ?

Тесты

1. Акустикой называют область науки физики, которая исследует __________________.

2. Звук, в широком смысле слова, представляет собой ________, которые распространяются в _______ веществах с частотой от ____ до ____ Гц.

3. Выберите правильный ответ: при восприятии звука, кроме его физических характеристик существует психофизическая характеристика, к которой относят:

1) частоту;

2) период;

3) интенсивность;

4) высота тока;

5) спектральный состав;

6) громкость звука;

7) тембр.

4. Выберите правильный ответ: различие между минимально воспринимаемой человеком интенсивностью звука и интенсивностью, вызывающей боль:

1) ; 2) ; 3) ; 4) ; 5) .

5. Найдите соответствие:

1) P_a²=2Icρ; a) интенсивность плоской звуковой волны;

2) L=lg ; b) удельный акустический импеданс;

3) P_a=Aωcρ; с) формула уровня интенсивности звука;

4) ρс= ; d) формула уровня акустического давления;

5) I=2A²π²ν²ρc; е) формула акустического давления,

связанная с амплитудой звуковой волны.

6. звуковым или акустическим давлением называется _______ давление, образующееся в участках _________ в акустической волне.

7. Под акустическим шумом понимают звуки, которые обладают __________ и в которых, в отличие от ________ колебаний, имеют место _________ изменения __________ и амплитуды.

8. Ультразвуком называют упругие ________ и ______, частоты которых превышают ________ звука, воспринимаемого человеческим ухом.

9. Найдите соответствие:

1) ; а) энергетические состояния атома;

2) I=I₀e ^-2χα; b) коэффициент поглощения

звуковой волны;

3) ; с) коэффициент отражения;

4) ; d) значение амплитуды звуковых

колебаний;

5) e) интенсивность поглощения

ультразвуковой волны.

Задачи

Задача 1. Излучатель ультразвука создает волну с интенсивностью 10⁵ Вт/м² и частотой 10⁵ Гц. Найти звуковое и акустическое давление Р_а и амплитудное ускорение частиц, сравнив его с ускорением силы тяжести. (Ответ: Р_а =5,6 атм, Аω=40 дБ, то есть больше в 40 раз).

Задача 2. Звук паровоза создает дополнительное давление 90 Па. Определить его интенсивность. (Ответ: 9,4 Вт/м²).

Задача 3. Найти коэффициент отражения звуковой волны на границе раздела воздуха и воды, если интенсивность ультразвука в воздухе 1000 Вт/м², а в воде 0,3 Вт/м². Звуковое сопротивление в воздухе 430 кг/мс.

ЛЕКЦИЯ 8. Фотобиологические процессы. Биофизика зрительного восприятия

Исследование энергетики зрительного восприятия в последнее время показало, что свет как бы включает определенную цепь биохимических реакций, энергия которых обеспечивает образование потенциала действия в рецепторных клетках - рецепторного потенциала. К биохимическим реакциям относятся реакции, которые протекают под действием света и являются частью фотобиологических процессов.

Фотобиологическими процессами называют процессы, которые начинаются с поглощения квантов света биологически функциональными молекулами и заканчивается соответствующей физиологической реакцией в организме или тканях. Важной характеристикой воздействия света на протекание биологических процессов является спектр биологического действия, то есть зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.

Спектры действия позволяют определить, какая область спектра поглощения наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также выяснить механизм поглощения и воздействия квантов лучистой энергии на возникновение зрения.

8.1. Процесс поглощения света

При прохождении света через вещество часть фотонов поглощается атомами вещества, то есть часть светового потока будет поглощаться (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Прохождение лучистой энергии через прозрачные вещества

Пусть I₀ - интенсивность падающего на прозрачное тело света; dx - бесконечно тонкий слой вещества; dI - интенсивность света, поглощенного этим телом, которая пропорциональна интенсивности падающего на вещество света и толщине этого слоя, то есть

; .

Проинтегрируем:

.

Отсюда

(8.1)

Знак минус показывает, что интенсивность света уменьшается.

Показатель поглощения c (м^-1) есть величина, обратная толщине слоя вещества, которая ослабляет интенсивность света в "е" раз, то есть примерно в 2,3 раза. Коэффициент поглощения прямо пропорционален концентрации вещества. Тогда c=сα, где α - показатель поглощения света на единицу концентрации вещества. Следовательно,

, (8.2)

где l – толщина образца.

Прологарифмируем данное уравнение.

.

Отсюда

. (8.3)

Величина называется оптической плотностью; тогда .

Отсюда . Обозначим , тогда

, (8.4)

Величину назовем коэффициентом пропускания.

Тогда

(8.5)

Оптическая плотность D=1 соответствует пропусканию 0,1 (или 10%).

Если свет поглощается биологической тканью, то общая величина оптической плотности равна сумме оптических плотностей, составляющих ее компонентов. Показатель поглощения a и оптическая плотность D зависят от длины волны, то есть D=f(l) и, следовательно, имеем дисперсию оптической плотности. Зависимость оптической плотности от длины волны называется спектром поглощения. График зависимости D=f(l), то есть дисперсия оптической плотности, представляет кривую с максимумом в определенном интервале длин волн, в которых происходит сильное поглощение света данным веществом. Эти интервалы называются полосами поглощения. Они, как правило, находятся в инфракрасной или ультрафиолетовой части. У белков максимум поглощения соответствует 250 нм, у нуклеиновых кислот - 60 нм. Степень поглощения света веществом определяется его молекулярным составом.

8.2. Зрительный аппарат человека

Он представляет собой устройство, в котором световая энергия, получаемая светочувствительными элементами - фоторецепторными клетками, преобразуется в энергию электрических импульсов, распространяющихся по зрительному нерву от органа зрения к центральной нервной системе.

Чувствительность фоторецепторных клеток настолько велика, что энергия воспринимаемого ими света оказывается значительно меньше энергии потенциала действия в нервном аксоне.

Глаз животных и человека не только позволяет воспринимать световые электромагнитные волны, но и различать отдельные длины волн, как мельчайшие оттенки цвета. Таким образом, глаз способен по-разному воспринимать свет различной длины волны, и эта способность глаза называется цветным зрением.

Орган зрения - глаз включает в себя рецепторный аппарат, который находится в сетчатке глаза, а также имеет оптическую систему. Оптическая система состоит из: 1) роговой оболочки; 2) хрусталика; 3) стекловидного тела, которое имеет различные коэффициенты преломления.

Назначение оптической системы глаза - фокусировать световые лучи, идущие от объекта, и обеспечивать четкое изображение объектов на сетчатке, которые находятся на различном расстоянии от глаза.

Оптическая система глаза при рассмотрении близких предметов равна 5 дптр, и 70,5 дптр - при рассмотрении дальних предметов. Диоптрий - величина, обратная фокусному расстоянию линзы, в данном случае хрусталика глаза. Зрительные рецепторные клетки - палочки и колбочки расположены на внутренней оболочке глаза - сетчатке. Строение палочек и колбочек у всех животных и человека почти одинаково. В основном они различаются только размерами. Так, длина палочек: у человека – 2…60 мкм, у лягушки – 6…60 мкм, у быка – 2…10 мкм. Диаметр и длина колбочек у человека 6…30 мкм. Количество палочек на сетчатке человека 125…130 млн.; колбочек 6-7 млн. К сетчатке подходит зрительный нерв сечением примерно 4 мм², который разветвляется на миллионы нервных волокон.

Палочки служат рецепторами черно-белого зрения, а колбочки в основном сконцентрированы в центральной части сетчатки в области желтого пятна, ответственного за цветное зрение.

Палочка состоит (рис.8.2) из чувствительного к свету наружного 1 и внутреннего сегмента 2, который содержит ядро 4 и митохондрии, обеспечивающие функционирование клетки 5. Внутри наружного сегмента расположены тонкие диски 3, диаметром около 6 мкм. Каждый диск состоит из бислойной мембраны. Число дисков в одной клетке измеряется несколькими сотнями.

От внутреннего сегмента идет связь к нервному волокну. Тонкие диски содержат зрительный пигмент - родопсин, который представляет собой сложный белок с молекулярной массой 40000. Диаметр его молекулы составляет примерно 4 нм. Родопсин состоит из белка опсина и хромофорной группы - ретиналя.

Рис. 8.2. Рецепторный аппарат глаза

Под действием света ретиналь отщепляется от родопсина и переходит в наиболее устойчивую конформацию. Если, например, в темноте мембрана диска непроницаема для ионов К⁺, Na⁺, Са²⁺ и др., то под действием света происходит конформационное изменение родопсина, что приводит к изменению состояния мембраны, при котором проницаемость для Na⁺ резко снижается, а для других ионов - не изменяется.

При этом на первое место приходит проницаемость для калия, который способствует возникновению потенциала действия калиевой природы. Данный потенциал вызывает нервный импульс и изображение на сетчатке. Следует обратить внимание на полярность. Так, на цитоплазматической мембране наружных сегментов - палочек потенциал внутри будет положительный, а снаружи - отрицательный. Пигмент колбочек содержит II-цисретиналь, как и у родопсина, однако белковая часть пигмента отличается. Поэтому пигменты колбочек называют иодопсинами. Измерение спектров поглощения отдельных разновидностей колбочек показал, что каждая колбочка содержит отдельный вид иодопсина. Иодпсин колбочек человека имеет максимум поглощения при 445, 535, 570 нм (рис. 8.3).

На данных сведениях, полученных экспериментально, базируется трехкомпонентная теория цветного зрения. При некоторых генетических заболеваниях нарушается синтез белков - иодопсинов, и глаз не различает красные и зеленые цвета. Такое заболевание называется дальтонизмом. Опыты показывают, что палочка может быть возбуждена одним единственным фотоном. Согласно законам фото-

Рис. 8.3. Спектр поглощения иодопсина

химии, один фотон может вызвать энергетический переход только одного электрона и, следовательно, перестройку только одной молекулы сверхчувствительного пигмента. Известно, что таких молекул в палочке примерно 10⁹. Таким образом, сверхчувствительность палочек очень большая. Можно утверждать, что фоторецепторы представляют собой сверхчувствительные трансформаторы, которые преобразуют световую энергию в электрическую с коэффициентом усиления 10⁵-10⁶. Такое усиление позволяет даже единичным фотонам создавать импульс и, соответственно, световые ощущения.

Исследования показывают, что минимальное количество света, которое должно падать на поверхность глаза для создания светового ощущения, составляет от 60 до 150 фотонов сине-зеленого цвета. Примерно 4% их от общего количества отражается от роговицы, 50% - поглощается хрусталиком и стекловидным телом, 40% - проходит через сетчатку и поглощается в пигментном эпителии. Таким образом, на долю фоторецепторов остается всего несколько процентов (6-10) от числа фотонов, падающих на роговицу.

Последние исследования показали, что порог чувствительности глаза, адаптированного к темноте, для длины волны 491 нм составляет всего 2-3 фотона. Таким образом, глаз можно считать одним из самых чувствительных приборов.

Приблизительно оценим пропускную способность глаза, то есть количество воспринимаемой им информации за единицу времени. Наличие или отсутствие импульса от фоторецепторной клетки будет соответствовать 1 биту информации. В сетчатке находится приблизительно 130 млн палочек и колбочек. Таким образом, один аксон принимает сигналы от 130 фоторецепторов. Каждый аксон может передать в секунду до 300 импульсов. Общее количество информации, которое передается зрительным нервом в секунду, может достичь 3·10⁸ бит. Телеканалы могут переносить информационные потоки, равные 10⁷ бит/с, то есть в 30 раз меньше. Таким образом, зрительные потоки очень велики и во много раз превышают пределы информационного восприятия человеческого мозга, который примерно равен 50 бит/с при восприятии информации от всех органов чувств.

8.3. Спектроскопия

Как отмечалось, основной задачей современной биофизики является проникновение на самые глубокие молекулярные уровни структурной организации живого.

К таким биофизическим методам, которые дают прямую информацию о молекулярных процессах, протекающих в организме, можно отнести люминесцентную, инфракрасную и лазерную спектроскопию; а также термографические методы исследования.

Метод исследования фотобиологических процессов с помощью спектров называется адсорбционной спектрофотометрией. Спектры поглощения изучаются с помощью специальных приборов - спектрофотометров. В основе спектроскопии лежит зависимость фотобиологического процесса от длины волны D=f(l).

Если спектры изучаются с помощью спектрофотометра в инфракрасном свете, то сам метод называется ИК-спектроскопией. Если используется индуцированное излучение, то лазерная спектроскопия. Если же спектры излучаются при люминесценции, то метод называется люминесцентной спектроскопией. Прибор, используемый при спектроскопии, называется спектрофотометром (рис.8.4). Луч света от источника 1 падает в монохроматор 2 - прибор, дающий излучение строго определенной длины волны. Далее монохроматический луч проходит через кюветы 3, содержащие исследуемое вещество и далее в ФЭУ (фотоэлектроумножитель 4), после которого в регистрирующее устройство 5, отрегулированное по акустической плотности.

Спектроскопический метод позволяет выяснить, какое вещество ответственно в данном процессе за поглощение света. Это достигается в результате сравнения спектров исследуемого вещества со спектром известных веществ. По положению максимума на шкале длин волн можно определить длину волны света, преимущественно поглощаемого этим веществом. Зная длину волны поглощенного света, определяют энергию поглощения квантов. По величине энергии узнают переходы молекул из одного энергетического состояния в другое и рассчитывают расположение электронов и колебательных энергетических уровней молекулы.

Рис. 8.4. Схема спектрофотометра

При так называемой адсорбционной ИК-спектроскопии используют два импульса. Один, имеющий достаточную мощность, называют возбуждением. Другой, более слабый, называют зондирующим.

Методика заключается в следующем: фокусируется луч инфракрасного или лазерного излучения на выбранную с помощью микроскопа маленькую область мишени. Используется такая температура, при которой возможен спектральный анализ, то есть можно получить спектр поглощения. Полученный сплошной спектр фотографируется с помощью спектрометра. Используется поточная методика in vitra, то есть вне организма. Берется биологическая ткань размером 50 мм и весом 10^-7 г, облучается лазерным лучом длиной волны 693 Å; N=30 кДж.

В данном случае под действием лазерного излучения происходит испарение вещества. Получают атомный спектр испаряющегося материала, который фотографируют уже на спектрографе (спектральный анализ для лазерных лучей). Обычно используются ударные волны, которые распространяются со звуковыми скоростями и используются для регистрации спектров поглощения.

8.4. Термография

Как отмечалось, ИК-излучением называют электромагнитное излучение, которое занимает область между красной границей видимого света и коротковолновым излучением. Инфракрасную область спектра условно разделяют на близкую (длина волны 0,76…2,5 мкм), среднюю (2,5…50 мкм) и далекую (50…200 мкм). ИК-лучи испускают все нагретые тела, а также тело человека и животных. Это дает возможность использовать данное излучение для диагностики с помощью метода термографии. ИК-излучение поглощается тканями значительно слабее, чем видимый свет, поэтому оно несет в себе информацию о находящихся под кожей тканях и позволяет видеть детали, которые являются неразличимыми в видимом свете. Благодаря большей проникающей способности, чем у видимого света, на термограмме ИК-излучения хорошо видны вены, наличие тромбов, их локализация. С помощью термографии можно фиксировать контуры опухоли и т.д. В основе термографии лежит электронно-оптический преобразователь (рис. 8.5), который широко используется для усиления яркости рентгеновского изображения. Работа ЭОП основана на внешнем фотоэффекте, который предназначен для преобразования изображения из одной области спектра в другую и усиления яркости изображения.

Если сигнал ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране можно получить "тепловые" изображения органов, тканей, сосудов. Таким образом, части тела, имеющие разные температуры, будут различаться на экране либо цветом (при цветном изображении) либо светом (при черно-белом). Такая техническая система будет называться тепловизором. Если сделать вывод информации на ЭВМ, то это дает возможность за считанные секунды получить термограмму исследуемого участка тела в виде цифр, которые соответствуют температурам участков органов или тканей. При этом имеем информацию не от 5…10 точек тканей, как при обычной термографии, а от нескольких тысяч, что резко повышает достоверность диагностики.

Рис. 8.5. Схема электронно-оптического преобразователя: 1 - световое изображение; К - полупрозрачный фотокатод, в котором преобразуется электронное изображение, которое ускоряется электрическим полем электрода Э; L - люминесцентный экран, на котором электронное изображение вновь преобразуется в световое изображение

ИК-излучение широко используется не только для диагностики, но и для лечения заболеваний кожи, суставов, лимфатической системы. Преимущество ИК-терапии заключается в более глубоком прогревании и отсутствии контакта между источником тепла и органом, чем устраняется раздражение тканей. Лечебное применение ИК-излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигает коротковолновое ИК-излучение, близкое к видимому свету. Для лечения используют специальные ртутные лампы высокого давления. Берется трубка, которая заполняется ртутными парами после того, как добились определенного вакуума, подается напряжение 60 В. Первичное действие ИК-излучения начинается с эффектов, происходящих в коже. Доказано, что волосяной покров, роговой слой кожи, весь эпидермис являются прозрачными для ИК-излучения, так как ИК-излучение проникает до 2…4 см, достигая подкожного жирового слоя и проникая в расположенные под ним внутренние органы. В слоях кожи, в которых поглощается ИК-излучение, происходит раздражение рецепторов. В последних возникают потенциалы действия, и импульсы передаются в ЦНС, которая управляет механизмом терморегуляции. Увеличивается кровоснабжение, улучшается питание тканей кислородом, что способствует активизации биологических функций. Следует отметить, что ИК-излучение оказывает вредное воздействие на глаза, поскольку сильно поглощается хрусталиком и стекловидным телом, то есть поглощение и отражение ИК-спектра иное, чем у видимого света. Так, вода прозрачна для видимого света, но оказалось, что она хорошо поглощает ИК-лучи. Значительное поглощение ИК-излучения водой и ее парами играет большое значение для теплового баланса всей планеты. ИК-излучение может иметь спектр сплошным или линейчатым. Доказано, что обычное стекло не пропускает ИК-лучи с длиной волны более 1,5-2 мкм. Методы обнаружения и измерения ИК-излучения делят на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника является термоэлемент, прибор нагревания которого вызывает электрический ток. К фотоэлектрическим приемникам можно отнести фотоэлементы, электроннооптические преобразователи (ЭОП), фотосопротивления. В соответствии с законом Вина ; , b=const, то есть чем меньше температура нагретого тела, тем на большую длину волны приходится максимум его излучения и тем большая часть спектра находится в ИК области. Так, в спектре излучения Солнца (температура его поверхности 6000 К), на долю ИК-излучения приходится около 50% общей энергии, а в спектре излучения лампы накаливания (температура вольфрамового спектра 2800 К) будет около 90%.

Благодаря сильному поглощению водяными парами земной атмосферы, только часть теплового излучения Земли уходит в космическое пространство. Таким образом, атмосфера представляет своеобразную теплоизолированную оболочку, которая препятствует охлаждению Земли за счет излучения. Аналогичные явления лежат в основе парникового эффекта.

8.5. Люминисценция. Миграция энергии

Люминесценцией называют излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и при условии, если это излучение обладает послесвечением от 10^-10с и более. Люминесценция делится на флюоресценцию и фосфоресценцию (послесвечение). При люминесценции наблюдаем переход с нижнего возбужденного подуровня на основной. При этом излучается фотон с энергией, меньшей энергии падающего фотона. Поэтому длина волны света, испускаемого при люминесценции, больше длины волны падающего света. Это положение называется правилом Стокса . Интенсивность люминесценции расценивается с помощью квантового выхода

, (8.6)

где n - количество квантов люминесценции; N - количество поглощенных квантов.

Согласно закону Вавилова, квантовый выход (вероятность) люминесценции не зависит от длины волны света, вызвавшего люминесценцию.

Миграция энергии - это безызлучательная передача энергии от молекулы к молекуле на расстоянии, значительно превышающем межатомное. Эта энергия происходит без растраты в тепло и без кинетических соударений донора и акцептора энергии. Когда молекула поглощает энергию, то электрон с основного энергетического уровня переходит на более высокий. При движении такого рода электронов в молекуле создается переменное электромагнитное поле, частота которого определяется уровнем возбужденного электрона. Если рядом с такой молекулой находится невозбужденная молекула, которая имеет такой же энергетический уровень, то возникает явление резонанса. При этом невозбужденные молекулы возбуждаются, и наоборот, таким образом, энергия невозбужденной молекулы целиком передается возбужденной.

- миграция энергии от А к В. Таким образом, для миграции энергии необходимо, чтобы:

1) донор энергии обладал способностью к созданию распространяющегося электромагнитного поля, то есть к способности люминесценции;

2) частота колебаний электромагнитного поля донора совпадала с частотой колебаний акцептора;

3) донор и акцептор были сближены на достаточное расстояние (1-10 нм).

Наличие миграции энергии определяют с помощью спектральных методов. Если обнаруживается, что вещество, не участвующее в фотохимической реакции начинает люминесцировать, это говорит о наличии миграции, то есть о том, что молекулы этого вещества получили энергию от других молекул, непосредственно участвующих в поглощении света. Рассмотренный вид миграции энергии называется резонансным, поскольку он осуществляется в результате резонанса донора и акцептора энергии. Вероятность миграции: 5% у белков, 30% - нуклеиновых кислот, 100% - веществ с высокой концентрацией хромофоров - соединений, которые содержат систему сопряженных кратных связей.

Второй вид миграции энергии называется акситонной миграцией. В отличие от резонансной, акситонная миграция осуществляется на сравнительно большом расстоянии. Возбужденный электрон перемещается от одной молекулы к другой вдоль возбужденного уровня. "Дырка", которая возникает после ухода электрона, перемещается вслед за ним по этому же уровню. Такая перемещающаяся пара электрон-дырка называется акситоном.

Биолюминесценция представляет собой свечение в видимой области оптического спектра, свойственное некоторым живым организмам. Этому виду люминесценции характерна высокая эффективность превращения химической энергии в световую. Этот механизм определяется реакциями окисления.

Бойль Р. помещал кусок гнилого пня под колпак воздушного насоса. При откачивании воздуха свечение прекращалось и возобновлялось после пускания под колпак воздуха. В организме некоторых животных происходит ферментативное окисление богатых водородом органических соединений - люциферинов (лат. lux (lucis) свет + ferre носить, букв. Носитель света). Сами ферменты, катализирующие окисление, называются люциферазами. Под действием люциферазы интенсивность люминесценции повышается в 10000 раз. Достаточно 10^-9 молекул АТФ в растворе люциферина с люциферазой, чтобы возникло свечение.

У медузы свечение может возникнуть при контакте особого белка экварина с ионами кальция.

Сверхмалое свечение (СС) - это свечение очень низкой интенсивности - 10-100 фотонов на 1 см² поверхности ткани можно было зафиксировать только фотоэлектроумножителем. Коэффициент усиления 10⁵-10⁹. Максимум СС приходится на 360-800 нм. В отличие от биолюминесценции, СС обусловлено не ферментативными процессами, а представляет собой цепную реакцию окисления липидных структур клетки с образованием перекисных радикалов. Таким образом, СС представляет собой характерный признак живого организма. Ферментативная же люминесценция характерна только для некоторых представителей животного мира.

Люминесцентным анализом называют метод исследования различных объектов под действием УФ-облучения, вызывающего люминесценцию этих объектов.

При люминесцентном анализе наблюдают или собственное свечение исследуемых тел или свечение люминофоров, которые вводят в эти тела. Такой анализ позволяет исследовать вещество без его разрушения и при очень малых его количествах. Например, содержание флуорисцина, который светится под действием УФ - облучения, можно обнаружить, когда в 1 мл воды находится 10^-10 этого вещества. Источником УФ служат газоразрядные лампы, которые содержат ртутные пары, дающие в спектр УФ – излучение с длиной волна 370 нм. Люминесцентный анализ применяют в самых различных областях. Например, в криминалистике. Облучение УФ позволяет обнаружить невидимые следы крови. Причем свечение крови человека в корне отличается от свечения крови животных и птиц, Люминесцентный анализ в считанные минуты позволяет определить начальную стадию порчи продуктов питания. Широкое применение получила люминесцентная микроскопия. Обычный биологический микроскоп снабжают источником УФ-освещения и соответствующими светофильтрами. По виду свечения можно распознать возбудителей инфекционных заболеваний - туберкулеза, сибирской язвы и т.д.

Основную информацию об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Восприятие света человеком – это цепь биохимических реа