1. Задачи,приводящие к понятию производной а о скорости движения материальной точки
 Скачать 1.34 Mb.
|
109кд/м2). 43.Люминесценция, ее виды. Механизм и свойства люминесценции. Правило Стокса. Люминесценция–излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела, если его длительность после прекращения внешнего воздействия значительно превышает период световых колебаний. Виды люминесценции: А.по виду возбуждения различают : Фотолюминесценция(возбуждение светом) Радиолюминесценция(возбуждение проникающей радиацией) Кандолюминесценция(возбуждения при механических воздействиях) Электролюминесценция(возбуждение электрическим полем) Хемилюминесценция(возбуждение при химических реакциях),биолюминесценция радикалорекомбинационная люминесценция лиолюминесценция(возбуждение при растворении кристаллов) Б.По длительности свечения различают флуоресценцию (быстрозатухающая люм-ия) фосфоресценцию(длительная люм-ия) В.По механизму элементарных процессов : Резонансная Метастабильная(вынужденная) Спонтанная Рекомбинационная Интненсивность люминесценции зависит от интенсивности возбуждения ,поэтому не может быть характеристикой люминесценции .Более однозначной характеристикой является выход люминесценции –отношение энергии люминесценции к поглощенной энергии возбуждения Ηкв  *100%Nп – квантовый выход Механизм и свойства люминесценции.При возбуждении люминесценции атом, поглощая энергию, совершает переход от 1 3. В атомных парах люминесценция может происходить непосредственно при переходе 3 1, тогда люминесценция является резонансной. При взаимодействии с окружающими атомами возбужденный атом может передать им часть энергии и перейти на 2 уровень, что называется спонтанной люминесценцией.  1.основной уровень энергии 2.уровень испускания 3.уровень возбуждения Пунктирная линия-переход при резонансной люминесценции,волнистая линия-безызлучательный переход Обычно уровень 2 лежит ниже уровня 3 ,и часть энергии при возбуждении теряется на тепло ,а длина волны испущенного света больше ,чем поглощенного – это стоксова люминесценция . Правило Стокса:спектр излучения в целом и его максимум сдвинуты по отношению к спектру поглощенного излучения и его максимуму в сторону более длинных волн. Возможны и процессы, когда излучающий атом получает дополнительную энергию от других атомов, тогда испущенный квант может иметь меньшую длину волны –антистоксова люминесценция Может образоваться ситуация, когда атом перед переходом на уровень испускания 2 оказывается на метастабильном уровне 4. Для перехода на уровень 2 атому нужно сообщить дополнительную энергию. Возникающая при таких случаях люминесценция называется метастабильной. 44.Применение люминофоров и люминесцентного анализа в медицине и фармации. Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Яркость люминесценции, ее высокий энергетический выход позволили создать нетепловые источники света (газоразрядные и люминесцентные лампы) с высоким КПД. Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов и т.д. Многие полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции; в рентгеноскопии используется рентгенолюминесценция. Широкое распространение получил люминесцентный анализ – методы исследования объектов, при которых регистрируется либо собственное свечение объекта, либо свечение специальных люминофоров, которыми обрабатывается исследуемый объект. Люминесцентный анализ включает в себя качественныйиколичественный химический анализ, при котором обнаруживают присутствие или определяют содержание определенных веществ в смеси, и сортовойлюминесцентный анализ, позволяющий разделять объекты по наличию или отсутствию люминесценции. В люминесцентном анализе используются все виды возбуждения люминесценции, но чаще всего фотовозбуждение, осуществляемое обычно с помощью газоразрядных ламп (ртутных, ксеноновых и т.д.),Регистрируют люминесценцию визуально или с помощью фотоэлектрических приемников. В химическом люминесцентном анализе наличие и концентрация тех или иных примесей в смеси определяются по интенсивности и спектру излучения. Чувствительность химического люминесцентного анализа очень высока.В газовой фазе удается регистрировать отдельные атомы. Сортовой люминесцентный анализ применяют в медицине и ветеринарии для обнаружения грибковых заболеваний, в сельском хозяйстве – для обнаружения заболеваний растений и семян, в геологии при поиске полезных ископаемых. Под действием ультрафиолетового излучения флуоресцируют многие ткани организма, ногти, зубы, непигментированные волосы, роговая оболочка, хрусталик глаза и др. В определенных случаях по характеру свечения можно отличить патологически измененные ткани от нормальных, злокачественные опухоли от доброкачественных. Так, например, во время операций обнаруженная опухоль облучается ртутно-кварцевой лампой и по цвету люминесцентного свечения определяется ее характер. Характерное свечение дают бактериальные и грибковые колонии, это явление часто используется при диагностике кожных болезней. При люминесцентном микроанализе исследуются гистологические препараты, имеющие собственную флуоресценцию или окрашенные флуоресцирующими красками. Люминофоры – специально синтезируемые вещества, способность к люминесценции которых при различных способах возбуждения используется для практических целей. Различают органические и неорганические люминофоры. Из неорганическихлюминофоров наиболее широко применяют кристаллофосфоры, которые используют в светотехнике, телевидении, измерительной технике, медицине, ядерной физике, квантовой электронике и т.д. Органическиелюминофоры – это сложные высокомолекулярные соединения: ароматические углеводороды и их производные, гетероциклические соединения, комплексные соединения атомов металлов с органическими лигандами и т.д.Их используют в молекулярной биологии и медицине для обнаружения и определения малых количеств вещества. При этом особое значение приобретает применение небольших количеств некоторых органических люминофоров (например, флуоресцины, акридин желтый) в качестве меток и микрозондов для изучения жизнедеятельности клеток, проницаемости мембран, межклеточных взаимодействий, установления границ поражения тканей, транспорта лекарственных препаратов или отравляющих веществ в живых организмах. 45.Вынужденное излучение. Инверсная заселенность уровней. Основные элементы лазера. .Вынужденным (индуцированным, стимулированным) излучением называется излучение возбужденных атомов (молекул, ионов) вещества, вызванное действием на вещество падающего на него света. Атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии, может перейти в низшее (обычно нормальное, основное) энергетическое состояние под действием электромагнитного поля. Электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный уровень. Новый фотон, появившийся в результате того, что атом (молекула, ион) вещества переходит с верхнего уровня Е2 на нижний уровень E1 под действием света, ничем не отличается от фотона, вызвавшего его появление. С точки зрения волновой оптики явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество. При этом частота волны, направление ее распространения, фаза и поляризация волны остаются неизменными. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его проходящим светом. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет, проходящий через среду. Одновременно с индуцированным излучением происходит поглощение света. Фотон может быть поглощен атомом, находящимся на нижнем уровне Е1. При этом фотон исчезает и атом переходит на возбужденный уровень Е2. Поглощение фотонов уменьшает интенсивность света, проходящего через среду. Происходит два конкурирующих друг с другом процесса: поглощения и вынужденного излучения  Первый процесс уменьшает, а второй процесс увеличивает число фотонов, проходящих через среду. Если процессы вынужденного излучения преобладают над процессами поглощения света, то среда называется усиливающей (активная среда). В противном случае среда является не усиливающей, а ослабляющей свет, который через нее проходит. Усиливающая среда называется также средой с отрицательным поглощением света. В такой среде происходит, быстрое возрастание интенсивности J проходящего света с увеличением толщины усиливающей среды (рис.2) за счет лавинообразного нарастания числа фотонов.Для получения активной среды необходимо создать в среде неравновесное состояние (инверсное состояние)юЧисло атомов (молекул, ионов) на возбужденном уровне должно быть больше, чем на нижнем уровне (обычно на верхних уровнях атомов больше, чем на нижних). У некоторых веществ имеются энергетические уровни, спонтанный переход с которых на основной уровень путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т. е. происходит относительно редко. Поэтому возбужденные атомы задерживаются на них достаточно долго (до 10 -3 с). Такие уровни называются метастабильными и в процессе возбуждения на них может накапливаться значительное количество возбужденных атомов. Это явление называется инверсной заселенностью (населенностью) уровней. Таким образом, для вынужденного излучения необходима инверсная заселенность уровней. У некоторых веществ имеются энергетические уровни, спонтанный переход с которых на основной уровень путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т. е. происходит относительно редко. Поэтому возбужденные атомы задерживаются на них достаточно долго (до 10 -3 с). Такие уровни называются метастабильными и в процессе возбуждения на них может накапливаться значительное количество возбужденных атомов. Это явление называется инверсной заселенностью (населенностью) уровней. Таким образом, для вынужденного излучения необходима инверсная заселенность уровней. Источники света, работающие на принципе вынужденного (индуцированного, стимулированного) излучения в оптическом диапазоне называются лазерами Лазер содержит три основных элемента: 1.устройство,поставляющее энергнию для переработки ее в когерентное излучение 2.активная среда,которая вбирает в себя эту энергию и переизлучает ее в виде когерентного излучения 3.устройство ,осуществляющее обратную связь 46.У стройство и принцип работы рубинового и гелий – неонового лазеров.  с Рубин состоит из оксида алюминия Аl2 O3, содержащего в качестве примеси немного хрома Сr3+, придающего рубину характерный красный цвет. Энергетические состояния вблизи Е2 и Е3 являются полосами. Это означает, что состояние атома не связано с какой-то строго определенной энергией, а может иметь энергию в пределах некоторой полосы с центром в Е2 или Е3. Излучение накачки возбуждает две энергетические полосы Е2 и Е3. Т.к. эти полосы являются достаточно широкими, и белый свет от источника накачки содержит большое количество фотонов с энергиями внутри полос, то произойдет «накачка» этих полос. После этого возникает переход с каждой из этих полос в метастабильное состояние Е1. Для обеспечения направленности излучения кристаллу рубина придается форма цилиндра со строго параллельными торцовыми поверхностями Один торец посеребрен, и представляет собой хорошее зеркало. Другой покрыт серебром лишь частично. Индуцированные фотоны отражаются между параллельными зеркалами и накапливаются. Пучок образуется фотонами, которые вылетают через частично отражающий торец цилиндра.  Накачку осуществляет мощная разрядная лампа, навитая в виде спирали вокруг кристалла. Как только в процессе спонтанного перехода Е1 →Ео образуется хотя бы один фотон, начинается лазерное действие.Фотоны, движущиеся параллельно оси цилиндра, отражаются от посеребренных торцов и, повторно пересекая кристалл, стимулируют испускание дополнительных фотонов. Часть этих фотонов проходит через торец с полупрозрачным покрытием и формирует лазерный пучок. Большая часть спонтанно испущенных фотонов излучается под углом к оси цилиндра. Они отражаются внутри кристалла и в конце концов вылетают через боковую поверхность. Такие фотоны не дают вклада в лазерный пучок Лазер на рубине работает в импульсном режиме, т.к. непрерывный режим работы приведет к перегреву и кристалл растрескается. Гелий - неоновый лазер состоит из двух трубок, соединенных патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при низком давлении (рис.5).  первая трубка - лазерная, как и рубиновый лазер, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало на другом. Вторая трубка - разрядная - имеет электроды, присоединенные к источнику питания. Накачка осуществляется по следующей схеме: Столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния В. Атомы газа находятся в непрерывном движении, и часто сталкиваются. Если атом Не в возбужденном состоянии В сталкивается с атомом Nе в основном состоянии, то энергия атома Не передается атому Nе, который переходит в метастабильное состояние С´. Переход С´ → В´ является лазерным с испусканием красных фотонов с длиной волны 632,8 нм. Гелий - неоновый лазер, в отличие от рубинового, может работать в непрерывном режиме.47.Свойства лазерного излучения.. Применение лазерного излучения в медицине. Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности. 1.Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной 2.Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности. 3.Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет ∆λ ≈ 0,01 нм). 4.Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10-12 с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р |