Anwendung des Lichtes in Medizin und Pharmazie:
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Das Licht, die wichtigsten physikalischen Größen Anwendung des Lichtes in Medizin und Pharmazie: Entstehung des Lichtes, Temperaturstrahlung, Infrarotdiagnostik Fluoreszenzstrahlern, Grundlagen der Emissionsspektroskopie ΔE: die transportierte Energie während der Zeitspanne Δt László Smeller 1 Größen zur Beschreibung des Energietransports 2 Entstehung des Lichtes Temperaturstrahlung Fluoreszenz Quelle der Energie: Thermische Energie (Bewegungsenergi der Teilchen) Braucht: (Heiße) Körper 3 Anregungsenergie des Elektrons Angeregte Elektronen 4 Enstehung der Temperaturstrahlung Temperaturstrahlung Erfahrung: die Körper, die höhere Temperatur haben als ihre Umgebung emittieren Energie (Wärme): Temperaturstrahlung hängt sehr stark von der T des Körpers ab. Temperatur des Körpers hängt mit den Bewegungen der Teilchen in dem Körper zusammen. z.B. Gastheorie 5 Eigenschaften der Temperaturstrahlung 1 2 3 mv = kT 2 2 Die Temperaturstrahlung ensteht auf Kosten der Bewegungsenergie der Teilchen im Körper. 6 Grössen zur Beschreibung der Temperaturstrahlung: Spezifische Ausstrahlung (M): •Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, sendet Temperaturstrahlung aus ΔP in 2π Raumwinkel • Temperaturstrahlung ist elektromagnetische Strahlung (infrarotes Licht, sichtbares Licht, UV, Röntgen, ...) M= ΔP , ΔA [M ] = W2 m Spektrale spezifische Ausstrahlung (Mλ): • Sie hängt von der T, Eigenschaften (Materie, Farbe, Oberfläche, ...) des Körpers ab. ΔA Mλ = ΔM W , [M λ ] = 2 m ⋅ nm Δλ Absorptionsgrad (α): Strahlungsgleichgewicht: emittierte und absorbierte Leistungen müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein. α= 7 absorbierte Energie einfallend e Energie Mλ und α hängen von λ, T, Farbe des Körpers, ... ab 8 Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: M λ ,1 α1 = M λ ,2 α2 = M λ ,3 α3 konstant für verschiedene Körper bei gegebener T und λ = ... Die dunkle Farben absorbieren mehrere Strahlungsenergie als die helle (Kirchhoff!). Die Strahlenschädigung nach der Atombombenexplosion ist grösser unter den dunklen Teile des Kimonos. Absolut schwarzer Körper: Ein hypothetischer idealisierter Körper, der jegliche auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Frequenz vollständig absorbiert. Absolut schwarzer Körper als Strahlungsreferenz: α = 1 Russ Mλ = α M λ ,a 1 = M λ ,a Hohlraumstrahlung 9 10 Spektrum des absolut schwarzen Körpers Wiensches Verschiebungsgesetz 2000 K Mλ,a Mλ,a 2000 K λmax ⋅T = const = 2880 μm ⋅ K 1500 K 1500 K 1000 K 1000 K 750 K 750 K 1 0,4 0,8 2 3 4 5 λ (μm) 1 0,4 0,8 2 λmax 3 4 5 λ (μm) Verschiebung des Maximums mit der Temperatur 11 12 z. B. Das Spektrum der Sonne: Stefan–Boltzmannsches Gesetz T = 5900 K (= 6000 K) Mλ,a 2000 K Mλ Ma = σ ⋅T 4 M 1500 K σ = 5,7 ⋅ 10 −8 1000 K W m2K4 750 K 1 0,4 0,8 2 3 4 5 λ (μm) 500 nm hohe spezifische Ausstrahlung bei hohen Temperaturen 13 1 2 λ (μm) 3 14 Anwendungen 1: IR Diagnostik (Telethermographie) T ≈ 301 K λmax ≈ 10 μm Ist der tierliche Körper absolut schwarz? IR-Strahlung In diesem Bereich: Ja! (s. Absorptionsspektrum des Wassers) IR-Kamera M T M ∝T 4 15 16 Gesichtshöhlenentzündung Gelenkentzündung Muskelzerrung Chondrolyse und Thrombose gesund 17 IR-Thermographie Messbereich: 8-10 μm Prezision: 0.1 C Auflösungsgrenze: 1 mm2 (Abstand: 40 cm) Abtastungszeit: 4 s Mikrowellenthermographie, Mammathermographie (Tumor-Diagnostik) Vorteil: Körpergewebe ist durchlässig für Mikrowellen. Nachteil: Intensität im Mikrowellenbereich ist 19 vielmal kleiner als im IR. Brustkrebs 18 Anwendungen 2: Wärmehaushalt Stoffwechselprozesse ⇒Wärme konstante Körpertemperatur Wärmeabgabe Wärmestrahlung: M = σ ⋅T 4 Resultierende Energieabgabe (ΔE): ( ) 4 ΔE = σ ⋅ T 4 − TUmgebung ⋅ A⋅t 4 M Umgebung = σ ⋅ TUmgebung Hat ein Körper höhere Temperatur als seine Umgebung, so strahlt er mehr als er aus der Umgebung absorbiert. + Transpiration (+ Wärmeleitung) 20 Anwendungen 3: Wärmetherapie (IR-Lampen) höhere Temperaturen: Tageslichtlampe niedrigere Temperaturen: IR-Lampen Glühlampen T = 2000-3000 K Wolfram-Lampen 21 22 Der Saturnmond Phoebe Weitere Anwendungen Fluoreszenz • Atome Bestimmung von Oberflächentemperaturen – siehe auch Praktikum • Moleküle – nächste Woche Sehen im ganz dunklen 23 Emission von Wasserstoff Linienspektrum angeregte Atome, z. B. Na-Linie bei 590 nm ein Teil des Emissionsspektrums von Argon Plasma ΔJ Δλ Die Atome des Niederdruck-Wasserstoffgases bewegen sich unabhängig voneinander. Entsprechend den Unterschieden der Energieniveaus emittieren sie Photonen bestimmter Wellenlängen, es entsteht ein Linienspektrum λ, nm Messung des Emissionsspektrums Spektren von Niederdruck-, Hochdruck- und HöchstdruckQuecksilberdampflampen. Man beachte, dass die Spektrallinien mit zunehmendem Druck an Zahl zunehmen bzw. sich zu Banden verbreitern! Allgemeine Schema: Quelle (Probe) Anregung emittiertes Licht Monochromator (enthält viele Wellenlängen) ausgewähltes Licht (mit Wellenlänge λ) Detektor elektr. Signal Verarbeitung, Registrierung des Detektrosignals Optisches Gitter Monochromator Dispersionselement (was die Lichtstrahlen nach Wellenlänge aufspaltet): 1. Prisma (siehe Dispersion) 2. Optisches Gitter (Beugung) Entstehung eines kontinuierlichen Spektrums mittels eines Prismenmonochromators bei einem Temperaturstrahler (z. B. Glühlampe) Monochromator Lichtquelle, Eintrittsspalt, fokusierbarer Spiegel, Dispersionselement (Amplitudengitter, Prisma) Ausgangsspalt, Detektor (SEV)
