Absorpcja fotonów

Jak dotąd neutrino było bardzo podobne do fotonu. Podobnie jak foton, neutrino nie ma ładunku, nie ma masy i zawsze porusza się z prędkością światła. Obie cząstki mają spin. Spin fotonu wynosi +1 lub -1, natomiast spin neutrina +1/2 lub -1/2 (różnica nie jest zbyt znacząca). Niemniej jednak istnieje między nimi interesująca, a nawet zaskakująca różnica, którą pomoże nam zrozumieć poniższe rozumowanie.

Prześledźmy dwa zdarzenia odwrócone w czasie. Niech osoba trzymająca piłkę rzuci ją, powiedzmy, na południe. Jeśli piłka zbliży się do osoby, poruszając się w przeciwnym kierunku, osoba ta podnosi rękę i ją łapie. W pierwszym przypadku kolejność zdarzeń była następująca: 1) osoba trzyma piłkę, 2) osoba rzuca piłkę, 3) piłka leci na południe. Ruch odwrócony w czasie miał inną sekwencję zdarzeń: 1) piłka leci na północ, 2) osoba łapie piłkę, 3) osoba trzyma piłkę. Wszystko to bardzo przypomina film, który najpierw przewija się w jedną stronę, a potem w drugą.

Spróbujmy przenieść tę zasadę do świata subatomowego.Jeśli elektron w atomie przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu mniej wzbudzonego, emituje foton światła widzialnego, którego długość fali zależy od różnicy energii pomiędzy dwoma stanami wzbudzonymi atomu. Ten sam atom może zaabsorbować lub „złapać” foton o dokładnie tej samej długości fali, a elektron przejdzie ze stanu mniej wzbudzonego do stanu bardziej wzbudzonego. Każdy rodzaj atomu emituje fotony o określonych długościach fal (w zależności od energii stanów wzbudzonych) i w odpowiednich warunkach pochłania fotony o dokładnie tych samych długościach fal.

Jednak różnica między wydarzeniem bezpośrednim a wydarzeniem odwróconym w czasie to nie tylko zmiana kierunku i sekwencji. Złapanie piłki jest trudniejsze niż jej rzucenie. Rzucając piłkę wprawiasz w ruch nieruchomy obiekt i wszystko zależy tylko od Ciebie. Mając czas, możesz lepiej przejąć piłkę, dokładnie wycelować itp. Kiedy złapiesz piłkę, musisz poradzić sobie z poruszającym się przedmiotem i nie ma czasu na ziewanie. Gdy piłka się zbliży, należy ją szybko chwycić, gdyż przez ułamek sekundy pozostanie w zasięgu ręki. W tym ułamku sekundy powinieneś mieć czas na wyciągnięcie ręki dokładnie w kierunku piłki i zatrzymanie jej. Jeśli spudłujesz, piłka przeleci obok.

To samo dzieje się z atomem emitującym foton. Taki atom emituje foton w czasie średnio około 10 -8 sek. W rezultacie atom, że tak powiem, zarządza swoim czasem i emituje foton, kiedy jest to dla niego dogodne.

Aby zaabsorbować ten sam foton, atom potrzebuje 10 -8 sekunda, co jest naturalną konsekwencją odwracalności zdarzeń. Ale atom nie może wchłonąć fotonu bez większych problemów. Foton porusza się z prędkością światła i nie pozostaje w pobliżu atomu przez cały okres czasu 10 -8 sek. Przez taki okres czasu foton światła leci średnio 300 cm. Niektóre fotony mogą przemieszczać się na większą odległość, inne na mniejszą. Jasne jest, dlaczego atomom zwykle bardzo trudno jest złapać fotony: w końcu rozmiar atomu jest znacznie mniejszy niż ta odległość! (Podobnie koszykarzom trudno jest łapać piłki, które lecą zbyt szybko.) Jednak przez przypadek atom może złapać i zaabsorbować foton.

Wszystkie powyższe zakładają, że foton nie ma wewnętrznych wymiarów; choć w rzeczywistości jest dość duży. Typowy foton światła widzialnego ma długość fali około 1/20 000 cm. Na tej długości w rzędzie mieści się około tysiąca atomów. Foton światła widzialnego można traktować jako rodzaj kuli, której średnica jest tysiąc razy większa niż średnica atomu, a objętość jest 1 000 000 000 razy większa od objętości atomu. W dowolnym momencie foton światła styka się z około miliardem atomów, z których jeden jest w stanie go wychwycić i zaabsorbować.

Dlatego głębokość, na jaką foton wnika w materię przed absorpcją, nie wynosi 300 cm, i miliard razy mniej, tj. 3 10 -7 cm.

W tej odległości w rzędzie mieści się nie więcej niż 10–15 atomów. Oznacza to, że foton światła przed momentem absorpcji wnika w substancję nie głębiej niż 10–15 warstw atomowych. Grubość 10–15 atomów to drobnostka w zwykłej skali, więc większość ciał stałych, nawet w postaci cienkich warstw, jest nieprzezroczysta dla światła (chociaż złotą folię można wykonać tak cienką, że staje się przezroczysta).

Im krótsza długość fali światła, tym mniejszy foton, tym mniej atomów ma z nim kontakt w danym momencie i dlatego dłużej przebywa ono przez materię, zanim zostanie zaabsorbowane. Z tego powodu światło ultrafioletowe wnika w ludzką skórę głębiej niż światło widzialne; promienie rentgenowskie swobodnie przechodzą przez tkanki miękkie ciała i są zatrzymywane jedynie przez gęstszą substancję kostną; Promienie aβ przenikają przez gęstą materię na wiele centymetrów. (Oczywiście światło widzialne pokonuje znaczną odległość w substancjach takich jak szkło czy kwarc, nie wspominając o większości cieczy, ale są to odrębne kwestie).

A kto udowodnił, że jądro atomu nie absorbuje fotonów? i dostałem najlepszą odpowiedź

Odpowiedź od Beaver[guru]
Ile energii jest w elektronach, a ile w jądrze
To pytanie czy stwierdzenie?
I tak, jądro może również absorbować fotony.
Bóbr
Oświecony
(22794)
Według wzoru czego???
A potem nawet nie słyszałem o „wzorze absorpcji jądra fotonu”…
Ogólnie rzecz biorąc, w jakim języku mówisz?

Odpowiedź od Yoebastian Rachowski[guru]
Już wiesz, co chcesz wiedzieć: absorpcja fotonu przez atom czy jądro atomowe?
Tak, foton może zostać zaabsorbowany przez jądro. Zapytaj Moessbauera.
Metoda NGR jest stosowana od dawna.

Odpowiedź od Salawata[guru]
Elektron nie może zaabsorbować fotonu.
Foton jest absorbowany przez atom – układ jądra i elektronów.
Jądro może czasami absorbować foton.

Odpowiedź od Ibikow Oleg[guru]
Wujku Wowa, jaka jest pogoda w Petersburgu? 🙂 Dla nas to obrzydliwe, drugi dzień leje.

Odpowiedź od Jurij Moisejew[guru]
Jądra radioaktywne emitują fotony (promienie gamma). Muszą więc wchłonąć, jeśli nie zostanie udowodnione, że jest to proces nieodwracalny.

Odpowiedź od 999 [guru]
Zobacz efekt Comptona. Być może to nieco rozjaśni sprawę.

Odpowiedź od Konstanty Pietrow[guru]
współczesna nauka nie wie, czym jest światło
czy jest to foton, czy coś innego, czy też się porusza, czy też jest to fala stojąca
wszelkiego rodzaju trolle spotykają się z takimi stwierdzeniami i obelgami
istnieją obskurantystyczne stwierdzenia, takie jak eksperyment Granger-Roger-Aspey, istnienie fotonu udowodniono już w 1986 roku
Ale...
podczas sprawdzania okazuje się, że jest tylko krytyka eksperymentu i są zalecenia powtórzenia eksperymentu, biorąc pod uwagę uwagi
mijają lata
ale bez fotonu
jeśli usuniesz powietrze, zniknie zarówno sam dźwięk, jak i prędkość dźwięku
to znaczy, że powietrze jest ośrodkiem propagacji dźwięku
oraz GDZIE, W CZYM i JAK rozchodzi się foton (światło)?
okazuje się, że potrzebujesz eteru?
w związku z tym jakiekolwiek rozumowanie na temat jądra atomu i fotonów, na temat wszelkiego rodzaju poziomów, jakie istnieją, jest obecnie nienaukowe

Odpowiedź od Duch Święty[guru]
Wołodia wynalazł nowy rower: okazuje się, AKHTUNG! 11 jądro może absorbować fotony!!! uczucie!!!
wydaje się, że rybacy nie są świadomi istnienia Landau-Livshitz

Odpowiedź od Jurik Żukow[guru]
Vova, jaki hałas, ale nie ma walki?
Co nie pozwala ci zasnąć?
Foton to najczystsza fala eteryczna (portalowa lub kwantowa)! Absorpcja fal wymaga warunków rezonansowych! W przypadku elektronów i jądra atomowego różnią się one bardzo ostro! Fotony są pochłaniane i natychmiast emitowane przez jądro atomowe, ale tylko o odpowiedniej długości fali! Nikomu jeszcze nie udało się napompować jądra fotonami tak, aby jądro pękło. Ale elektrony są pompowane do pewnych granic i przechodzą w stan wzbudzony.

Odpowiedź od biały Królik[guru]
Wielki geniusz całego świata mógł wiedzieć, że promieniowanie gamma to także FOTONY.
I dopiero wtedy spróbuj uczyć, a jeszcze bardziej zadaj SWOJĄ NIELITERATURĘ
Odpowiedź jest zasadniczo następująca: oczywiście nikt tego nie udowodnił, ponieważ samo stwierdzenie jest twoją niepiśmienną fantazją. Rdzeń MOŻE absorbować promienie gamma.

Odpowiedź od Aleksiej Abramow[guru]
Jeśli odpowiesz w kolejności pytań:
1. Istnieje model zgodny z danymi eksperymentalnymi opisujący oddziaływanie jądra i fotonów (patrz elektrodynamika kwantowa).
2. W pewnym sensie elektrony są pułapką dla fotonów, ale nawet jeśli są obecne, jest szansa, że ​​jakiś foton „przeleci” do jądra. Poziomy absorpcji i promieniowania w atomie są skwantowane, jądro nie będzie oddziaływać z żadnymi fotonami.
3. Podczas emisji i pochłaniania fotonów zmienia się kształt orbity elektronowej. Ale o stabilności samej orbity decyduje fakt, że elektron stale oddziałuje z jądrem atomowym poprzez wymianę fotonów, ale ponieważ fotony te zawsze znajdują się wewnątrz układu elektron + jądro, nie możemy ich zobaczyć.
4. Energia znajduje się nie tylko w elektronie i jądrze, ale także w potencjale pola ich oddziaływania.
Przykładowo, gdy protony, będące jądrami atomów wodoru, są przyspieszane w akceleratorze (na przykład Wielkim Zderzaczu Hadronów), działa na nie zmienne pole magnetyczne, którego oddziaływanie z tymi protonami opisuje się jako emisję i absorpcję fotonów.

Emisja wymuszona (indukowana) to wytworzenie nowego fotonu podczas przejścia atomu do stanu o niższym poziomie energii pod wpływem fotonu indukującego, którego energia była równa różnicy energii pomiędzy poziomami. Powstały foton ma tę samą energię, pęd, fazę i polaryzację co foton indukujący (który nie jest absorbowany).

Laser (angielski laser, w skrócie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation „wzmocnienie światła przez emisję wymuszoną”), optyczny generator kwantowy to urządzenie, które przekształca energię pompy (świetlną, elektryczną, cieplną, chemiczną itp.) w energię spójną , monochromatyczny, spolaryzowany i wąsko skierowany strumień promieniowania.

Zasada działania Fizyczną podstawą działania lasera jest zjawisko promieniowania wymuszonego (indukowanego). Istota zjawiska polega na tym, że wzbudzony atom jest w stanie wyemitować foton pod wpływem innego fotonu bez jego absorpcji, jeśli energia tego ostatniego jest równa różnicy energii poziomów atomu przed i po emisja. W ten sposób wzmacniane jest światło.

Prawdopodobieństwo, że losowy foton spowoduje emisję wymuszoną wzbudzonego atomu, jest dokładnie równe prawdopodobieństwu absorpcji tego fotonu przez atom w stanie niewzbudzonym. Dlatego do wzmocnienia światła konieczne jest, aby w ośrodku było więcej atomów wzbudzonych niż niewzbudzonych (tzw. inwersja obsadzeń). W stanie równowagi termodynamicznej warunek ten nie jest spełniony, dlatego stosuje się różne systemy pompowania ośrodka aktywnego lasera (optyczne, elektryczne, chemiczne itp.).

W stanie normalnym liczbę atomów w stanie wzbudzonym określa rozkład Boltzmanna: N to liczba atomów w stanie wzbudzonym o energii E, N 0 to liczba atomów w stanie podstawowym, k to Stała Boltzmanna, T to temperatura ośrodka.

mi = 13,6 mi. B N \u003d 9,2 10 -232 n \u003d E \u003d 12,1 e. B N \u003d 5,9 10 -206 n \u003d 3 E \u003d 10,2 e. B N \u003d 2,9 10 -173 n \u003d 2 E \u003d 0 e. B N = 1000 n = 1

W stanie zwykłym atomów wzbudzonych jest bardzo mało, więc prawdopodobieństwo, że foton rozchodzący się w ośrodku spowoduje emisję wymuszoną, jest również bardzo małe w porównaniu z prawdopodobieństwem jego absorpcji. Dlatego fala elektromagnetyczna przechodząca przez substancję zużywa swoją energię na wzbudzenie atomów. W tym przypadku intensywność promieniowania maleje zgodnie z prawem Bouguera: tutaj I 0 jest intensywnością początkową, I jest intensywnością promieniowania, które przebyło odległość L w substancji, jest współczynnikiem absorpcji substancji.

W przypadku, gdy liczba atomów wzbudzonych jest większa od liczby atomów niewzbudzonych (czyli w stanie inwersji obsadzeń), sytuacja jest dokładnie odwrotna. Akty emisji wymuszonej przeważają nad absorpcją, a emisja jest wzmacniana zgodnie z prawem: gdzie jest współczynnik wzmocnienia.

Urządzenie laserowe Wszystkie lasery składają się z trzech głównych części: ośrodka aktywnego (roboczego); systemy pompowe (źródło energii); rezonator optyczny (system luster). Każdy z nich przewiduje działanie lasera w celu realizacji jego określonych funkcji.

1 - ośrodek aktywny; 2 - energia pompy laserowej; 3 - nieprzezroczyste lustro; 4 - półprzezroczyste lustro; 5 - wiązka lasera.

Medium aktywne Medium robocze jest głównym czynnikiem determinującym długość fali roboczej, a także inne właściwości lasera. Płyn roboczy jest „pompowany” w celu uzyskania efektu inwersji populacji elektronów, co powoduje wymuszoną emisję fotonów i efekt wzmocnienia optycznego. W laserach stosowane są następujące płyny robocze: Ciecze Gazy Ciała stałe Półprzewodniki

Ciecz, na przykład w laserach barwnikowych. Składają się z rozpuszczalnika organicznego, takiego jak metanol, etanol czy glikol etylenowy, w którym rozpuszczone są barwniki chemiczne, takie jak kumaryna czy rodamina. Konfiguracja cząsteczek barwnika determinuje roboczą długość fali. Gazy, takie jak dwutlenek węgla, argon, krypton lub mieszaniny, takie jak te występujące w laserach helowo-neonowych. Lasery takie najczęściej pompowane są wyładowaniami elektrycznymi.

Ciała stałe, takie jak kryształy i szkło. Materiał stały jest zwykle stopowany (aktywowany) z dodatkiem mała ilość jony chromu, neodymu, erbu lub tytanu. Typowymi używanymi kryształami są granat itrowo-glinowy (YAG), fluorek itru i litu (YLF), szafir (tlenek glinu) i szkło krzemianowe. Najpopularniejsze opcje to Nd: YAG, szafir tytanowy, szafir chromowy (znany również jako rubin), fluorek strontu i litu domieszkowany chromem (Cr: Li. SAF), Er: YLF i Nd: szkło (szkło neodymowe). Lasery na ciele stałym są zwykle pompowane za pomocą lampy błyskowej lub innego lasera.

Półprzewodniki. Materiał, w którym przejściu elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi może towarzyszyć promieniowanie. Lasery półprzewodnikowe są bardzo kompaktowe, pompowane prądem elektrycznym, co pozwala na ich zastosowanie w urządzeniach gospodarstwa domowego.

Układ pompujący Do wytworzenia odwrotnej populacji ośrodka laserowego wykorzystywane są różne mechanizmy. W laserach na ciele stałym odbywa się to poprzez naświetlanie mocnymi lampami błyskowymi wyładowczymi, skupionym promieniowaniem słonecznym (tzw. pompowanie optyczne) oraz promieniowaniem innych laserów. W tym przypadku praca jest możliwa tylko w trybie pulsacyjnym, ponieważ wymagane są bardzo duże gęstości energii pompowania, które podczas długotrwałego narażenia powodują silne nagrzewanie i niszczenie pręta substancji roboczej.

Lasery gazowe i cieczowe wykorzystują pompowanie wyładowań elektrycznych. Lasery te działają w sposób ciągły. Lasery chemiczne są pompowane poprzez reakcje chemiczne w ośrodku aktywnym. W tym przypadku inwersja obsadzeń następuje albo bezpośrednio w produktach reakcji, albo w specjalnie wprowadzonych domieszkach o odpowiedniej strukturze poziomów energetycznych. Lasery półprzewodnikowe są pompowane pod wpływem silnego prądu stałego przez złącze p-n, a także za pomocą wiązki elektronów. Istnieją inne metody pompowania (gazdynamiczna, fotodysocjacja).

rezonator optyczny, najprostsza forma które są dwoma równoległymi zwierciadłami, znajdują się wokół korpusu roboczego lasera. Pobudzone promieniowanie ciała roboczego jest odbijane przez lustra i ponownie wzmacniane. Fala może odbijać się wiele razy, aż do opuszczenia.

Zwierciadła laserowe działają również jako rezonator, wzmacniając niektóre mody generowane przez laser (częstotliwości promieniowania) i tłumiąc inne. Jeżeli na długości optycznej L rezonatora mieści się całkowita liczba półfal n, to fale te przechodząc przez rezonator nie zmieniają swojej fazy, a na skutek zakłóceń wzmacniają drugą. Wszystkie pozostałe, blisko siebie rozmieszczone fale, stopniowo gasną. Zatem widmo częstotliwości własnych rezonatora optycznego jest określone zależnością: tutaj c jest prędkością światła w próżni. Odstępy pomiędzy sąsiednimi częstotliwościami rezonatora są takie same i równe:

Laser helowo-neonowy Medium robocze lasera helowo-neonowego to mieszanina helu i neonu w stosunku 5:1, umieszczona w szklanej bańce pod niskim ciśnieniem (zwykle około 300 Pa). Energia pompy jest dostarczana z dwóch urządzeń wyładowczych o napięciu około 1000 woltów, umieszczonych na końcach kolby. Rezonator takiego lasera składa się zwykle z dwóch zwierciadeł - całkowicie nieprzezroczystego po jednej stronie żarówki i drugiego, przepuszczającego przez siebie około 1% padającego promieniowania po stronie wyjściowej urządzenia. Lasery helowo-neonowe są kompaktowe, mają typowy rozmiar rezonatora od 15 cm do 0,5 m, a ich moc wyjściowa waha się od 1 do 100 mW.

schemat pompowania czynnika aktywnego He. Laser Ne 20,61 u B 20,66 u B 632,8 nm 18,7 u B

Główne długości fal He. Ne laser: 543nm 633nm 652nm 1523nm 3391nm

Właściwości promieniowania laserowego 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Wysoka spójność Monochromatyczność Wysoka moc Wysoka intensywność Wysoka jasność Wysokie ciśnienie Mały kąt rozbieżności w wiązce (kolimacja)

Promieniowanie laserowe jest wysoce spójne ze względu na właściwości wymuszonej emisji światła. W tym przypadku obserwuje się nie tylko spójność czasową, ale także przestrzenną: różnica faz w dwóch punktach płaszczyzny prostopadłej do kierunku propagacji pozostaje stała.

Promieniowanie laserowe jest wysoce monochromatyczne, to znaczy zawiera fale o prawie tej samej częstotliwości. Wynika to z faktu, że podczas emisji wymuszonej indukowany foton jest podobny do fotonu pierwotnego. W tym przypadku powstaje fala elektromagnetyczna o stałej częstotliwości (szerokość linii widmowej wynosi 0,01 -0,02 nm)

Za pomocą lasera możliwe jest zapewnienie dużej mocy promieniowania – do 105 W w trybie ciągłym. Moc laserów impulsowych jest o kilka rzędów wielkości większa. Zatem laser neodymowy generuje impuls o energii 75 J w czasie 3 10 -12 s, zatem moc w impulsie wynosi 2,5 1013 W (moc HES ~ 109 W).

lasery ze szkła neodymowego wykorzystywane do inercyjnej syntezy jądrowej, badań nad bronią jądrową i innych eksperymentów fizycznych o wysokiej gęstości energii.

W laserach impulsowych natężenie promieniowania jest bardzo wysokie i może sięgać 14 - 1016 W/cm 2 10 (natężenie promieniowania słonecznego w pobliżu ziemi 2) powierzchni 0,1 W/cm

W przypadku laserów pracujących w zakresie widzialnym jasność promieniowania (natężenie światła na jednostkę powierzchni) jest bardzo duża. Nawet najsłabsze 15 laserów ma jasność 10 cd/m2 (dla porównania: jasność 9 cd/m2) Niedz 10

Kiedy wiązka lasera pada na powierzchnię, wywiera ciśnienie (p). Przy całkowitej absorpcji promieniowania laserowego powstaje ciśnienie p=I/c, gdzie I to natężenie promieniowania, c to prędkość światła. Przy całkowitym odbiciu ciśnienie jest dwukrotnie wyższe. Przy intensywności 1014 W / cm2 ciśnienie wynosi 3,3 · 109 Pa = 33000 atm.

Promieniowanie jest kolimowane, co oznacza, że ​​promienie w wiązce są prawie równoległe do siebie. W przypadku większości laserów kąt rozbieżności wynosi 1 minutę łuku lub mniej.

Długość fali promieniowania Długości fali promieniowania () laserów medycznych mieszczą się w zakresie 0,2 -10 mikronów, tj. od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni.

Moc promieniowania W przypadku laserów medycznych waha się w szerokim zakresie, zależnym od celu zastosowania. Dla laserów cw P = 0,01100 W. Lasery impulsowe charakteryzują się mocą impulsu 103 -108 W (dla laserów chirurgicznych) i czasem trwania impulsu 10 -9 -10 -3 s.

Intensywność (gęstość mocy) Cecha ta jest definiowana jako stosunek mocy lasera do pola przekroju poprzecznego wiązki. W przypadku laserów impulsowych rozróżnia się intensywność impulsu i intensywność średnią. Natężenie laserów chirurgicznych: – dla laserów ciągłych 103 W/cm2 – dla laserów impulsowych (natężenie impulsu) 105 - 1011 W/cm2

Kąt rozbieżności Minimalny możliwy kąt rozbieżności jest określony przez dyfrakcję na powierzchni lustra rezonatora i wynosi 10 -4 -10 -5 rad (tj. wzrost średnicy wiązki na metr wynosi 0,1 -0,01 mm).

Procesy charakteryzujące rodzaje oddziaływania promieniowania laserowego z obiektami biologicznymi można podzielić na trzy grupy: - działanie niezakłócające (nie wywiera zauważalnego wpływu na obiekt biologiczny) - działanie fotochemiczne (w procesie bierze udział cząstka wzbudzona laserem) reakcje chemiczne) - Fotodestrukcja (w wyniku uwolnienia ciepła lub fal uderzeniowych)

Interferometria Gdy promieniowanie laserowe odbija się od chropowatej powierzchni, powstają fale wtórne, które wzajemnie się zakłócają. W efekcie powstaje wzór ciemnych i jasnych plamek (plamek), których lokalizacja dostarcza informacji o powierzchni obiektu biologicznego.

Holografia Za pomocą promieniowania laserowego uzyskuje się trójwymiarowy obraz obiektu. W medycynie metoda ta pozwala uzyskać trójwymiarowe obrazy wewnętrznych jam żołądka, oczu itp.

Rozpraszanie światła Kiedy światło przechodzi przez obiekt, zmienia się przestrzenny rozkład natężenia. Rejestracja zależności kątowej natężenia światła rozproszonego pozwala określić wielkość cząstek ośrodka (od 0,02 do 300 µm) i ich kształt.

Efekt Dopplera Metoda polega na pomiarze przesunięcia częstotliwości Dopplera promieniowania laserowego, które występuje nawet w przypadku wolno poruszających się cząstek (metoda anemometryczna). W ten sposób mierzy się prędkość przepływu krwi w naczyniach, ruchliwość bakterii itp.

Laserowa analiza krwi Wiązka lasera przechodząca przez kapilarę kwarcową, przez którą pompowana jest krew, powoduje fluorescencję krwinek. Blask fluorescencyjny jest specyficzny dla każdego rodzaju komórek przechodzących pojedynczo przez odcinek wiązki laserowej. Zliczana jest całkowita liczba komórek i określane są dokładne wartości dla każdego typu komórek.

W terapii wykorzystuje się lasery o małej intensywności (0,1-10 W/cm2), które bezpośrednio podczas naświetlania nie powodują zauważalnego destrukcyjnego działania na tkanki. W widzialnym i ultrafioletowym obszarze widma ich działanie wynika z reakcji fotochemicznych.

Terapia światłem czerwonym Promieniowanie On. Laser Ne (633 nm) stosowany jest w celach przeciwzapalnych przy leczeniu ran, wrzodów, choroby niedokrwiennej serca. Efekt terapeutyczny jest związany z wpływem światła na aktywność komórek. Światło działa jako regulator metabolizmu komórkowego.

Terapia światłem niebieskim Stosowana na przykład w leczeniu żółtaczki noworodków. Choroba ta jest konsekwencją gwałtownego wzrostu poziomu bilirubiny w organizmie, która ma maksymalną absorpcję w niebieskim obszarze. Pod wpływem światła bilirubina rozkłada się, tworząc produkty rozpuszczalne w wodzie.

Fotodynamiczna terapia nowotworów Stosowana do usuwania nowotworów, które mogą być wystawione na działanie światła. FTP opiera się na napromienianiu fotouczulaczy zlokalizowanych w nowotworach (na przykład pochodnych hemetoporfiryny, która pochłania światło w czerwonym obszarze widma). Po oświetleniu powstają reaktywne formy tlenu (zwykle tlen singletowy), które mogą uszkodzić biosubstrat w pobliżu miejsca działania fotosensybilizatora, nie naruszając normalnej tkanki.

W chirurgii wykorzystuje się lasery o dużej intensywności. Wiązka lasera wykorzystywana jest jako uniwersalny lekki skalpel. Pod wpływem promieniowania laserowego tkanki biologicznej o dużej intensywności. Jest podgrzewany, koagulowany, odparowywany lub ablowany. Do cięcia tkanek biologicznych często wykorzystuje się ciągły laser CO 2 o długości fali 10,6 µm i natężeniu 2 103 W/cm 2 .

Awaria lasera Lasery krótkoimpulsowe w połączeniu ze światłowodami służą do usuwania złogów w naczyniach krwionośnych, kamieni w pęcherzyku żółciowym i nerkach. Gdy generowany jest impuls laserowy o czasie trwania 10 -9 -10 -12 s i dużej intensywności, następuje przebicie lasera podobne do przebicia elektrycznego (tj. następuje proces udarowej jonizacji elektronowej atomów docelowych). W rezultacie temperatura w obszarze ogniskowym wzrasta do dziesiątek tysięcy stopni, a powstająca fala uderzeniowa niszczy cel.

Promieniowanie podczerwone Promieniowanie elektromagnetyczne zajmujące obszar widmowy pomiędzy czerwonym końcem światła widzialnego (o długości fali = 0,74 mikrona) a promieniowaniem mikrofalowym (~ 1 -2 mm). Promieniowanie podczerwone odkrył w 1800 roku angielski naukowiec W. Herschel.

Obecnie cały zakres promieniowania podczerwonego dzieli się na trzy składowe: - obszar krótkofalowy: λ=0,74 -2,5 µm; - obszar fal średnich: λ=2,5 -50 mikronów; – obszar długich fal: λ=50 -2000 µm;

Promieniowanie podczerwone nazywane jest także promieniowaniem „termicznym”, ponieważ promieniowanie podczerwone emitowane przez nagrzane przedmioty jest odbierane przez ludzką skórę jako uczucie ciepła. W tym przypadku długości fal emitowanych przez ciało zależą od temperatury ogrzewania: im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali i większe natężenie promieniowania.

Fizyczne podstawy termografii U ludzi największy udział w utracie ciepła (50%) ma promieniowanie cieplne. Maksymalne promieniowanie przypada na długość fali =9,5 μm. Termografia jest metodą diagnostyczną polegającą na rejestracji promieniowania cieplnego pochodzącego z powierzchni ciała człowieka.

Moc traconą przez osobę podczas interakcji z otoczeniem poprzez promieniowanie oblicza się według wzoru: gdzie S jest polem powierzchni, - współczynnikiem. absorpcja, T 1 - temperatura powierzchni ciała, T 0 - temperatura otoczenia, - stała Stefana-Boltzmanna (5, 66 10 -8 W / m 2 K 4).

Oznaczanie temperatury powierzchni ciała odbywa się na dwa sposoby: 1. Przy użyciu ciekłych kryształów, które zmieniają kolor pod wpływem zmiany temperatury. 2. Zastosowanie kamer termowizyjnych z przetwornikami elektronowo-optycznymi, które przetwarzają sygnał z zakresu IR na zakres promieniowania widzialnego.

Termografia kontaktowa z wykorzystaniem klisz zawierających związki ciekłokrystaliczne: strefa światła na kliszy odpowiada ognisku hipertermii z tyłu lewej stopy.

Termogram twarzy, szyi i przedniej powierzchni klatki piersiowej jest prawidłowy; gradacja temperatury sąsiednich odcinków skali w kolejności rosnącej od lewej do prawej - 0,1°. Termogram twarzy, szyi i przedniej powierzchni klatki piersiowej w raku tarczycy: strefa hipertermii na przedniej powierzchni szyi jest spowodowana guzem.

Głównym procesem prowadzącym do absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w półprzewodnikach jest powstawanie par elektron-dziura. Podczas absorpcji fotonów o energiach możliwe jest bezpośrednie przejście elektronów przez pasmo wzbronione (tutaj h to stała Plancka, 6,63 * 10 -34 J * s; ν to częstotliwość promieniowania; E g to pasmo wzbronione; materiały półprzewodnikowe ogniw słonecznych mieć Np. \u003d 1 eV ). h*ν > E g (7.1.)

Promieniowanie słoneczne charakteryzuje się dużą gęstością strumienia fotonów (1 kW / m 2 / [(2 eV) * (1,6 * 10 -19 J * eV -1)] ≈ 3 * 10 21 fotonów / m 2 * s). Generowanie nośników przez fotony, gdy półprzewodnik jest oświetlany przez Słońce, sumuje się z zawsze występującą generacją cieplną. W ciemności istnieje tylko wytwarzanie ciepła. Złącze p-n pochłaniające fotony jest źródłem prądu stałego. Fotoprąd zależy od liczby fotonów zaabsorbowanych w pobliżu złącza p – n. Minimalny rozmiar krzemowego ogniwa słonecznego wynosi 0,4 mm. Ogniwa fotowoltaiczne można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Maksymalną energię osiąga się, jeśli napięcie U i prąd I zostaną utrzymane w taki sposób, że ich iloczyn pokrywa się z linią mocy maksymalnej (ryc. 7.1.). Wraz ze zmianą natężenia promieniowania i rezystancji obciążenia.

Ryż. 7.1. Wolty to amperowa charakterystyka typowego 33-ogniwowego ogniwa słonecznego. Można zauważyć, że typowa linia zasilania (linia przerywana) odpowiadająca maksymalnemu iloczynowi U*I dobrze zgadza się z zakresem napięcia wymaganym do ładowania akumulatorów, nawet bez stosowania kontroli obciążenia.

Bateria ogniw słonecznych to kombinacja modułów połączonych równolegle. Każdy moduł to element połączony szeregowo. Całkowita wydajność ogniwa słonecznego wynosi 10%.

Istnieje wiele wariantów i osiągnięć przemysłowych ogniw słonecznych oraz metod ich wytwarzania. Typowe słoneczne monokrystaliczne ogniwo krzemowe pokazano na ryc. 7.2.

Ryż. 7.2. DPB – dodatkowa bariera potencjału; 1- z powierzchni czołowej poprzedniego elementu; 2 – powłoka przeciwodblaskowa; 3 - kontakt twarzowy; 4 - do tylnego styku następnego elementu; 5 - metalowy styk z tyłu.

Podstawowe wymagania techniczne

1. Surowiec musi być chemicznie bardzo czysty i mieć stabilne właściwości.

2. Ogniwa fotowoltaiczne muszą być produkowane po minimalnych kosztach.

3. Ogniwa słoneczne muszą mieć żywotność co najmniej 20 lat w środowisku. Należy wziąć pod uwagę, że temperatura pracy fotokomórki może wahać się w zakresie od (-30) do +200 0 С.

4. Styki elektryczne muszą być stabilne i zabezpieczone przed wszelkiego rodzaju korozją. Urządzenie musi być wodoodporne.

5. Zniszczenie jednego z elementów nie powinno prowadzić do awarii całego systemu.

6. Prefabrykowane moduły muszą wytrzymać transport do miejsc trudno dostępnych.

Energia wiatrowa

Przyczyną występowania wiatru jest absorpcja promieniowania słonecznego przez atmosferę ziemską, co prowadzi do rozszerzania się powietrza, pojawienia się silnych prądów pionowych i słabszych prądów poziomych.

Charakter prądów zależy zarówno od lokalnych czynników geograficznych, jak i od obrotu Ziemi. Na Ziemi wiatry dzielą się na globalne i lokalne.

Do wiatrów globalnych zalicza się pasaty i wiatr zachodni. Pasaty powstają w wyniku nagrzania równikowej części Ziemi. Ogrzane powietrze unosi się do góry, ciągnąc masy powietrza z północy i południa. Rotacja Ziemi odchyla prądy powietrza. W rezultacie, wiejąc przez cały rok ze stałą siłą, powstają północno-wschodni pasat na półkuli północnej i południowo-wschodni na półkuli południowej. Pasaty wieją w obszarze równikowym, znajdującym się pomiędzy 25 a 30 0 szerokości geograficznej północnej i południowej. Na półkuli północnej pasaty pokrywają 11% powierzchni oceanów, a na półkuli południowej 20%. Siła pasatu wynosi zwykle 2 - 3 punkty. Zachodni wiatr wieje przez cały rok z zachodu na wschód w paśmie od 40 do 60 0 szerokości geograficznej południowej, wzdłuż krawędzi dryfującego lodu Antarktydy. To najsilniejszy wiatr stały. Jego siła sięga 8 - 10 punktów i rzadko jest mniejsza niż 5 punktów. W głębi lądu nie ma stałego kierunku wiatru. Ponieważ różne części lądu w różnych porach roku nagrzewają się inaczej, możemy mówić jedynie o dominującym sezonowym kierunku wiatru. Ponadto na różnych wysokościach wiatr zachowuje się inaczej, a dla wysokości do 50 metrów charakterystyczne są przepływy „pełzające”.

Jako pierwsze do żeglowania wykorzystano lokalne wiatry. Wśród nich są bryzy. Bryza to lekki wiatr, który wieje wzdłuż wybrzeży kontynentów i dużych wysp, spowodowany codziennymi wahaniami temperatury. Ich cykliczność wynika z różnicy temperatur pomiędzy lądem i morzem w dzień i w nocy. W ciągu dnia ląd nagrzewa się szybciej i silniej niż morze. Ciepłe powietrze unosi się nad linią brzegową, a na jego miejsce napływa chłodne powietrze znad morza - morska bryza. W nocy wybrzeże wychładza się szybciej i silniej niż morze, dlatego ciepłe powietrze unosi się nad morzem, a jego miejsce zajmuje zimne powietrze znad lądu – nadmorska bryza. Drugim, stale wiejącym wiatrem są monsuny. Wiatry te wieją na Oceanie Indyjskim i są związane z sezonowymi zmianami temperatury kontynentu i oceanu. Latem promienie słoneczne mocniej nagrzewają ląd, a wiatr wieje od morza w stronę lądu. Zimą monsun wieje od lądu do morza. Obrót Ziemi powoduje pojawienie się sił Coriolisa, które odchylają monsuny w prawo. Dlatego monsuny południowo-zachodnie wieją latem, a monsuny północno-wschodnie wieją zimą. Monsuny osiągają ogromną siłę i powodują prądy powierzchniowe na Oceanie Indyjskim odpowiadające lokalnym wiatrom.

Tabela 8.1.

Siła wiatru w skali Beauforta

Przy prędkości wiatru uo i gęstości powietrza ρ obszar omiatania koła wiatrowego A wytwarza moc.

Jak dotąd neutrino było bardzo podobne do fotonu. Podobnie jak foton, neutrino nie ma ładunku, nie ma masy i zawsze porusza się z prędkością światła. Obie cząstki mają spin. Spin fotonu wynosi +1 lub -1, natomiast spin neutrina +1/2 lub -1/2 (różnica nie jest zbyt znacząca). Niemniej jednak istnieje między nimi interesująca, a nawet zaskakująca różnica, którą pomoże nam zrozumieć poniższe rozumowanie.

Prześledźmy dwa zdarzenia odwrócone w czasie. Niech osoba trzymająca piłkę rzuci ją, powiedzmy, na południe. Jeśli piłka zbliży się do osoby, poruszając się w przeciwnym kierunku, osoba ta podnosi rękę i ją łapie. W pierwszym przypadku kolejność zdarzeń była następująca: 1) osoba trzyma piłkę, 2) osoba rzuca piłkę, 3) piłka leci na południe. Ruch odwrócony w czasie miał inną sekwencję zdarzeń: 1) piłka leci na północ, 2) osoba łapie piłkę, 3) osoba trzyma piłkę. Wszystko to bardzo przypomina film, który najpierw przewija się w jedną stronę, a potem w drugą.

Spróbujmy przenieść tę zasadę do świata subatomowego.Jeśli elektron w atomie przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu mniej wzbudzonego, emituje foton światła widzialnego, którego długość fali zależy od różnicy energii pomiędzy dwoma stanami wzbudzonymi atomu. Ten sam atom może zaabsorbować lub „złapać” foton o dokładnie tej samej długości fali, a elektron przejdzie ze stanu mniej wzbudzonego do stanu bardziej wzbudzonego. Każdy rodzaj atomu emituje fotony o określonych długościach fal (w zależności od energii stanów wzbudzonych) i w odpowiednich warunkach pochłania fotony o dokładnie tych samych długościach fal.

Jednak różnica między wydarzeniem bezpośrednim a wydarzeniem odwróconym w czasie to nie tylko zmiana kierunku i sekwencji. Złapanie piłki jest trudniejsze niż jej rzucenie. Rzucając piłkę wprawiasz w ruch nieruchomy obiekt i wszystko zależy tylko od Ciebie. Mając czas, możesz lepiej przejąć piłkę, dokładnie wycelować itp. Kiedy złapiesz piłkę, musisz poradzić sobie z poruszającym się przedmiotem i nie ma czasu na ziewanie. Gdy piłka się zbliży, należy ją szybko chwycić, gdyż przez ułamek sekundy pozostanie w zasięgu ręki. W tym ułamku sekundy powinieneś mieć czas na wyciągnięcie ręki dokładnie w kierunku piłki i zatrzymanie jej. Jeśli spudłujesz, piłka przeleci obok.

To samo dzieje się z atomem emitującym foton. Taki atom emituje foton w czasie średnio około 10 -8 sekund. W rezultacie atom, że tak powiem, zarządza swoim czasem i emituje foton, kiedy jest to dla niego dogodne.

Aby zaabsorbować ten sam foton, atom potrzebuje 10-8 sekund, co jest naturalną konsekwencją odwracalności zdarzeń. Ale atom nie może wchłonąć fotonu bez większych problemów. Foton porusza się z prędkością światła i nie pozostaje w pobliżu atomu przez cały odstęp czasu wynoszący 10 -8 sekund. W takim czasie foton światła przelatuje średnio 300 cm, niektóre fotony mogą pokonać większą odległość, inne mniejszą. Jasne jest, dlaczego atomom zwykle bardzo trudno jest złapać fotony: w końcu rozmiar atomu jest znacznie mniejszy niż ta odległość! (Podobnie koszykarzom trudno jest łapać piłki, które lecą zbyt szybko.) Jednak przez przypadek atom może złapać i zaabsorbować foton.

Wszystkie powyższe zakładają, że foton nie ma wewnętrznych wymiarów; choć w rzeczywistości jest dość duży. Typowy foton światła widzialnego ma długość fali około 1/20 000 cm, przy tej długości fali w rzędzie mieści się około tysiąca atomów. Foton światła widzialnego można traktować jako rodzaj kuli, której średnica jest tysiąc razy większa niż średnica atomu, a objętość jest 1 000 000 000 razy większa od objętości atomu. W dowolnym momencie foton światła styka się z około miliardem atomów, z których jeden jest w stanie go wychwycić i zaabsorbować.

W rezultacie głębokość, na jaką foton wnika w substancję przed absorpcją, nie wynosi 300 cm, ale miliard razy mniej, czyli 3 · 10 -7 cm.

W tej odległości w rzędzie mieści się nie więcej niż 10–15 atomów. Oznacza to, że foton światła przed momentem absorpcji wnika w substancję nie głębiej niż 10–15 warstw atomowych. Grubość 10–15 atomów to drobnostka w zwykłej skali, więc większość ciał stałych, nawet w postaci cienkich warstw, jest nieprzezroczysta dla światła (chociaż złotą folię można wykonać tak cienką, że staje się przezroczysta).

Im krótsza długość fali światła, tym mniejszy foton, tym mniej atomów ma z nim kontakt w danym momencie i dlatego dłużej przebywa ono przez materię, zanim zostanie zaabsorbowane. Z tego powodu światło ultrafioletowe wnika w ludzką skórę głębiej niż światło widzialne; promienie rentgenowskie swobodnie przechodzą przez tkanki miękkie ciała i są zatrzymywane jedynie przez gęstszą substancję kostną; Promienie aβ przenikają przez gęstą materię na wiele centymetrów. (Oczywiście światło widzialne pokonuje znaczną odległość w substancjach takich jak szkło czy kwarc, nie wspominając o większości cieczy, ale są to odrębne kwestie).