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.
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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
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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
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vielmal kleiner als im IR.
Brustkrebs
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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)
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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
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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)
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