37.
Основные характеристики инфракрасного (теплового) излучения:
спектральная плотность энергетической светимости, коэффициент
поглощения. Черное и серое тела. Закон Кирхгофа.
УФ
– электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (400нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (10нм).
Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ.
Но в обычных условиях тепловое излучение тел не является источников УФ- излучения, так как максимум спектральной плотности энергетической светимости приходится на 7000 К. Мощный источник УФ – Солнце. В лабораторных условиях – это разряды в газах и парах металлов. Не является тепловым и имеет линейчатый спектр. УФ необходимо для работы ультрафиолетовых микроскопов, люминесцентных микроскопов; главное применение в медицине – биологическое воздействие, обусловленное фотохимическими процессами. Используется для лучения кожных заболеваний, желтухи новорожденных.
ИК
– электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (0,76мкм) и коротковолновым радиоизлучением
(1-
2мм).
Характеристики теплового излучения
Спектральная плотность энергетической светимости
— функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн). Энергетическая светимость(R)– энергия, излучаемая за 1 сек с 1 м
2
поверхности тела по всем направлениям и во всем спектральном диапазоне.
Коэффициент поглощения зависит от длины волны и характеризуется спектральной поглощательной способностью
безразмерной физической величиной, показывающей, какая доля энергии, падающей в единицу времени на единицу поверхности тела в интервале длин волн от
до
+d
, им поглощается.
𝛼 = Ф
погл
Ф
пад
Где Ф
погл –
поток излучения поглощенный телом; Ф
пад
– поток излучения, падающий на тело. Коэффициент поглощения принимает значения от 0 до 1.
1) абсолютно черные тела: для них коэффициент поглощения α=1 на всех длинах волн – абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Солнце – абсолютно черное тело, Т = 6000 К.
2) серые тела: коэффициент поглощения α<1 и одинаковый на всех длинах волн. Эти тела не полностью, но одинаково поглощают излучение на всех длинах волн.
3) все остальные тела.
Закон Кирхгофа:
для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности излучения к спектральному коэффициенту поглощения при той же температуре и для тех же длин волн есть универсальная функция от длины волны и температуры.
𝑟
𝜆
𝛼
𝜆
= 𝜀
𝜆
Где
𝜀
𝜆
- спектральная плотность энергетической светимости черного тела; 𝑟
𝜆
- спектральная плотность энергетической светимости любого тела; 𝛼
𝜆
– монохроматический коэффициент поглощения.
38.
Энергетическая светимость черного тела. Законы Стефана–Больцмана и
смещения Вина.
39.
Применение теплового излучения в медицине. Тепловое излучение
человека. Методы термографии и тепловидения.
Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы – тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину.
Термография – диагностический метод, основанный на регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков. Картина распределения температур поверхности тела называется термограммой. Части тела с разной температурой различаются на экране используемого прибора (тепловизора) либо цветом, либо интенсивностью.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовое излучение - электромагнитное излучение, с частотой в диапазоне от 8*1014 до
3*1016 Гц.
Как уже упоминалось выше, ультрафиолетовые лучи невидимы. Но при этом они обладают разрушительным действием на кожу и сетчатку глаз. Например, высоко в горах нельзя долго находиться без одежды и темных очков, так как ультрафиолетовые лучи, направленные от
Солнца, недостаточно поглощаются в атмосфере нашей планеты. Даже обычные очки могут защитить глаза от вредного ультрафиолетового излучения - стекло очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи.
Однако, в малых дозах ультрафиолетовые лучи даже полезны. Они оказывают влияние на центральную нервную систему, стимулируют ряд важных жизненных функций. Под их воздействием на коже появляется защитный пигмент - загар. Помимо всего прочего эти лучи убивают различные болезнетворные бактерии. С этой целью чаще всего они используются в медицине
В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими
Энергетическая светимость черного света
Абсолютно черные тела: для них коэффициент поглощения α=1 на всех длинах волн – абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Солнце – абсолютно черное тело, Т = 6000 К.
способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника
40. Рентгеновское излучение. Основные характеристики рентгеновского излучения. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Зависимость спектра излучения от напряжения между электродами, температуры накала катода и материала анода. Рентгеновское излучение
– электромагнитные волны с длиной волны от 80 до 10
-5 нм.
Источником служат рентгеновские трубки.
Устройство рентгеновской трубки:
вакуум, содержащий катод, испускающий поток электронов; наклоненный анод, направляющий возникающее рентгеновское излучение.
В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна. При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным(сплошным) спектром
Увеличивая
напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению
. Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбрасывают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения.
41.Закон ослабления потока рентгеновского излучения веществом. Механизмы взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотоэффект, когерентное, некогерентное рассеяние. Первичные эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом обусловливают уменьшение интенсивности данного излучения. Это происходит за счет двух процессов: поглощения - когда энергия рентгеновских квантов растрачивается на структурные перестройки в веществе (кванты прекращают существование) - и рассеяния - когда рентгеновские кванты изменяют свое первичное направление распространения. Так, если на вещество падает параллельный пучок рентгеновских лучей с интенсивностью I
0
, то при прохождении слоя толщиной X интенсивность излучения, распространяющегося в прежнем направлении, принимает значение I. Ослабление интенсивности излучения в данном случае происходит по тому же экспоненциальному закону, что и ослабление интенсивности световых лучей:
𝐼 = 𝐼
0
𝑒
−𝜇𝑥
Где 𝜇 - линейный показатель ослабления, характеризующий убыль интенсивности рентгеновских лучей за счет поглощения 𝜇
п и рассеяния 𝜇
р на единице толщины слоя: 𝜇 = 𝜇
п
+ 𝜇
р
Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
В зависимости от соотношения энергии ℎ𝑣 фотона и энергии А ионизации имеют место три главных процесса:
Когерентное (классическое) рассеяние
Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: ℎ𝑣 < А
и
Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа
Некогерентное рассеяние (эффект Комптона)
Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: ℎ𝑣 > А
и.
Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия ℎ𝑣 фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией ℎ𝑣 ', на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А
и
) и сообщение электрону кинетической энергии Е
к
:
ℎ𝑣 = ℎ𝑣
′
+ А
и
+ Е
к
Фотоэффект
При фотоэффекте
рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация).
Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Так, например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п.
42. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине. Рентгенодиагностика. Рентгенотерапия. Компьютерная томография. Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).
Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально
λ
3
), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:
𝜇
м
= 𝑘𝜆
3
𝑍
3
Где 𝜇
м
– массовый коэффициент ослабления, определяемый фотоэффектом; k – коэффициент пропорциональности.
Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.
Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия - изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.
Рентгенотерапия
— один из методов лучевой терапии, при котором с лечебной целью используется рентгеновское излучение с энергией от 10 до 250 кэВ. С увеличением напряжения на рентгеновской трубке увеличивается энергия излучения и вместе с этим его проникающая способность в тканях возрастает от нескольких миллиметров до 8—10 см.
Компьютерная томография
- метод получения различных срезов тела человека на любом уровне, основанный на круговом или спиральном сканировании объекта узким пучком рентгеновских лучей и компьютерной реконструкции полученного изображения. Формирование изображения при КТ, как и при рентгенологическом исследовании, происходит благодаря тому что различные органы и ткани по- разному поглощают рентгеновские лучи, что зависит в первую очередь от плотности объекта. Для определения плотности объектов при КТ существует так называемая шкала Хаунсфилда, согласно которой для каждого органа и ткани подсчитан коэффициент абсорбции (КА).
Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами.
Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальному программе вычисляет распределение плотности образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея.
Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения в десятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.
43.
Радиоактивность. Виды и свойства радиоактивных излучений: α, β, γ.
Энергетические спектры α-, β-, γ-излучения. Основной закон
радиоактивного распада. Период полураспада
Радиоактивность
– самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одних элементов в ядра других с испусканием других ядер или элементарных частиц.
Альфа-распад
— самопроизвольное превращение одного ядра в другое с испусканием α-частиц (ядра атомов 𝐻𝑒
4 2
). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.
𝑋 =
𝑌
𝑍 −2
𝐴−4
𝑍
𝐴
+ 𝐻𝑒
2 4
Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны.
1) электронный или β-распад, заключающийся в вылете из ядра электрона.
𝑋
𝑍
𝐴
=
𝑌
𝑍+1
𝐴
+
𝑒
−1 0
2) позитронный или β+-распад
𝑋
𝑍
𝐴
=
𝑌
𝑍−1
𝐴
+
𝑒
+1 0
3) электронный захват
𝑋
𝑍
𝐴
+
𝛽 =
𝑌
𝑍−1
𝐴
−1 0
Гамма-излучение
, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. При испускании гамма-излучения ядро некоторого элемента переходит из возбужденного в невозбужденное состояние. Излучающийся при этом квант называется гамма-квантом. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эти лучи
(свинец, бетон, вода).
Закон радиоактивного распада
- зависимость числа нераспавшихся ядер от времени :
𝑁 = 𝑁
0
× 𝑒
−𝜆 ×𝑡
N – число нераспавшихся ядер к моменту времени
N
0
– начальное число нераспавшихся ядер.
Число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону.
Период полураспада
- время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.
𝑇
1 2
=
ln 2
𝜆
44. Биофизические основы действия радиоактивных излучений на организм. Прямое и опосредованное повреждение биомолекул. Защита от ионизирующих излучений. Рассматривая первичные физико-химические процессы в организме при действии ионизирующих излучений, следует учитывать две принципиально разны е возможности взаимодействия: с молекулами воды и с молекулами органических соединений. Под действием ионизирующих излучений происходят химические превращения вещества, получившие название радиолиза.
Наиболее реакционноспособными являются три типа радикалов, образующихся при радиолизе воды: е, Н ’ и ОН*. Взаимодействие органических молекул RH с этими радикалам и может привести к образованию радикалов органических молекул. Взаимодействие молекул органических соединений непосредственно с ионизирующими излучениям и
может образовать возбужденные молекулы, ионы, радикалы и перекиси.
Из приведенных реакций ясно, что эти высокоактивные в химическом отношении соединения будут взаимодействовать с остальным и молекулами биологической системы, что приведет к повреждениям генетического аппарата, мембран, других структур клеток и, в итоге, нарушениям функций всего организма. Рассмотрим некоторые общие закономерности, характерные для биологического действия ионизирующего излучения. Значительные биологические нарушения вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии излучения. Ионизирующее излучение действует не только на биологический объект, подвергнутый облучению, но и на последующие поколения через наследственный аппарат клеток. Это обстоятельство, а также его условное прогнозирование особо остро ставят вопрос о защите организмов от излучения. Для биологического действия ионизирующего излучения специфичен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по- разному чувствительны к одной и той же дозе ионизирующего излучения.
Наиболее чувствительным к действию излучения является ядро клетки.
Способность к делению — наиболее уязвимая функция клетки, поэтому при облучении прежде всего поражаются растущие ткани. Это делает ионизирующее излучение особенно опасным для детского организма, включая период, когда он находится в утробе матери. Губительно действует излучение и на ткани взрослого организм а, в которых происходит постоянное или периодическое деление клеток: слизистую оболочку желудка и кишечника, кроветворную ткань, половые клетки и т. д. Действие ионизирующего излучения на быстрорастущие ткани используют также при терапевтическом воздействии на ткани опухоли. При больших дозах может наступить «смерть под лучом», при меньших — возникают различные заболевания (лучевая болезнь и др.).
Различают три вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом.
Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения. Защита от 𝛼 -излучения проста: достаточно листа бумаги или слоя воздуха толщиной в несколько сантиметров, чтобы полно стью поглотить 𝛼 -частицы . Однако, работая с радиоактивными источниками, следует остерегаться попадания 𝛼 -частиц внутрь организма при дыхании или приеме пищи. Для защиты от β-излучения достаточно пластин из алюминия, плексигласа или стекла толщиной в несколько сантиметров. Наиболее сложна защита от рентгеновского и гамма-излучения. Эти излучения с меньшей вероятностью взаимодействуют с частицами вещества и поэтому глубже проникают в вещество.
1. Опосредованное действие на биомолекулы
(радиолиз воды): взаимодействие вводы с радикалами органических молекул приводит к образованию их радикалов и гидропероксидов.
2. Прямое повреждение молекул:
образование ионов, радикалов и перекисей
Скачать 3.84 Mb.