Bài giảng quang sinh áng sáng và sự sống ĐHYK thái nguyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA BỘ MÔN LÝ SINH Y HỌC QUANG SINH ÁNH SÁNG VÀ SỰ SỐNG 6/3/2014 I BẢN CHẤT ÁNH SÁNG KHÁI NIỆM LƯỢNG TỬ NĂNG LƯỢNG (PHOTON) MỤC TIÊU : HIỂU RÕ VỀ LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG GHI NHỚ MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐẶC TRƯNG CHO MỖI THUỘC TÍNH 6/3/2014 Khái niệm Lược sử cấu tạo vật chất chất ánh sáng Trong suốt ngàn năm qua, người không ngừng sâu tìm hiểu chất ánh sáng cấu tạo vật chất nói chung Đó trình lâu dài với kiện biến đổi phức tạp khoa học Có thể chia trình thành giai đoạn : Giai Đoạn 1: Bắt đầu từ vài trăm năm trước công nguyên kéo dài đến kỷ 17 Giai Đoạn 2: Bắt đầu từ có thuyết đầu tiên, chất ánh sáng kết thúc đời thuyết điện từ ánh sáng Mac-xoen Giai đoạn 3: Bắt đầu từ đầu kỷ 20 đời Lý thuyết lượng tử ánh sáng kéo dài ngày 6/3/2014 Thuộc tính sóng ánh sáng Năm 1865, Macxoen đưa thuyết điện tử ánh sáng với nội dung sau: - ánh sáng truyền dạng sóng - Sóng ánh sáng loại sóng điện từ, đặc trưng hai véc tơ véc tơ cường độ điện trường E véc tơ cường độ từ trường H - Tại điểm mà sóng ánh sáng lan truyền tới, véc tơ E vuông góc với véc tơ H vuông góc với phương truyền sóng - Véc tơ E H biến đổi theo quy luật hình sin E = E0 Cos(t +  ) (1) H = H0 Cos(t +  ) (2) 6/3/2014 - Căn vào bước sóng ánh sáng người ta chia thang sóng điện tử nói chung thành dải sóng sau : Sóng vô tuyến ngoại : Khả kiến Tử ngoại RơnGhen Gamma : Bước sóng  ~ 105 - 10-3 m Hồng ” ~ 10-3 - 0,76 m : ” ~ 0,76 - 0,39 m : ” ~ 0,39 – 10-2 m : ” ~ 10-2 - 10-5 m : ” < 10-5 m 6/3/2014 Thuộc tính hạt ánh sáng, khái niệm lượng tử lượng (Photon) Năm 1900, Plank Anh-xtanh : - Năng lượng ánh sáng (quang năng) truyền cách gián đoạn, không liên tục tức dòng ánh sáng, có chỗ lượng tập trung lại, chỗ khác gì, Từ quan niệm đó, hai ông đưa giả thuyết, cho rằng: Dòng ánh sáng dòng "hạt" riêng biệt, "hạt" gọi lượng tử lượng hay Photon 6/3/2014 - Mỗi Photon đặc trưng thông số bản: + Năng lượng  =h + Động lượng P = /v = h / v = h/ + Khối lượng tĩnh m0 = (1) (2) (3) Biểu thức (1) cho biết: Mỗi photon có giá trị lượng riêng Biểu thức (2) cho biết: Mối quan hệ thuộc tính sóng thuộc tính hạt Biểu thức (3) cho biết: Khái niệm Pho-ton gắn với chuyển động (lan truyền) 6/3/2014 HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT QUANG Mục tiêu : • Trình bày hai tượng: Hấp thụ ánh sáng phát quang • Vận dụng để giải thích chế thị giác ứng dụng Y học 6/3/2014 Hấp thụ ánh sáng Hiện tượng Xét môi trường vật chất Khi chiếu chùm photon vào môi trường, chùm photon phân tử môi trường có tương tác qua lại với nhau, kết là: + Về phía chùm photon: toàn phần lượng bị mát vào môi trường tức sau khỏi môi trường bị yếu triệt tiêu + Về phía môi trường vật chất: Các nguyên tử hay phân tử từ trạng thái chuyển sang trạng thái có lượng lớn gọi trạng thái kích thích Quá trình tương tác trao đổi lượng nói gọi trình hấp thụ ánh sáng môi trường 6/3/2014 Tính chất *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào chất cấu trúc môi trường Ví dụ : *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào chất chùm ánh sáng tới Ví dụ 2: *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ.Ví dụ 3:   Ta nói hấp thụ có tính chất lọc lựa 6/3/2014 10 Tính chất hấp thụ lọc lựa giải thích chế màu sắc vật, tượng xung quanh ta Ví dụ : - Máu có màu đỏ - Tương tự có màu xanh - Mặt nước ao hồ biển có màu xanh đậm chỗ sâu nhạt chỗ nông, nước ao trông đục lờ lờ ta múc vào ống nghiệm nhỏ, ta có cảm giác - Ngoài tính chất hấp thụ lọc lựa sở cho loạt ứng dụng y học : Kỹ thuật chụp chiếu Rơnghen, kỹ thuật Laser, liệu pháp xạ trị 6/3/2014 11 Định luật hấp thụ ánh sáng Để đặc trưng cho khả hấp thụ ánh sáng môi trường vật chất, người ta đưa khái niệm hệ số hấp thụ định luật hấp thụ ánh sáng môi trường sau: Ix = I0 exp (-x) Định luật phản ánh cách tổng quát tính chất hấp thụ lọc lựa mà trình bày 6/3/2014 12 II HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG Khi có tưong tác chùm Photon phân tử môi trường phân tử chuyển sang trạng thái kích thích Tuy nhiên, trạng thái kích thích trạng thái không bền,  trở TTCB  Khi giải phóng phần lượng từ photon truyền cho Tuỳ thuộc giá trị lượng lượng giải phóng đó, mà xảy trường hợp sau: - Nếu lượng giải phóng không đủ lớn lượng giải phóng dạng nhiệt ta nói hệ phát xạ nhiệt hay toả nhiệt - Nếu lượng giải phóng đủ lớn (bằng số nguyên lần h) lượng giải phóng dạng phôtôn thứ cấp (tức hạt ánh sáng) Ta nói: môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang 6/3/2014 13 Một cách định tính, người ta phân biệt loại phát quang • Huỳnh quang: phát quang xảy đồng thời với thời gian chiếu sáng chấm dứt ngừng chiếu sáng vào môi trường (ví dụ phát xạ bóng đèn huỳnh quang, đèn hình tivi, máy vi tính ) *Lân quang : phát quang tiếp tục trì thời gian dài sau ngừng chiếu sáng vào môi trường ( ví dụ phát quang số loại gỗ mục, xương, xác động vật, chất quang đồng hồ, la bàn ) 6/3/2014 14 III Sơ đồ mức lượng - giải thích tượng hấp thụ phát quang s2 * So : đường mức lượng ứng với trạng thái S*: đường mức lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet T : đường mức lượng ứng với TT KT Triplet 6/3/2014 s1 * s0 * T s0 15 [...]... nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các phôtôn thứ cấp (tức là các hạt ánh sáng) Ta nói: môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang 6/3/2014 13 Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang • Huỳnh quang: là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian chiếu sáng và chấm dứt ngay khi ngừng chiếu sáng vào môi trường (ví dụ như sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, ... tivi, máy vi tính ) *Lân quang : là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường ( ví dụ như sự phát quang của một số loại gỗ mục, xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn ) 6/3/2014 14 III Sơ đồ mức năng lượng - giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang s2 * So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản S*: đường... hấp thụ ánh sáng Để đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của môi trường vật chất, người ta đã đưa ra khái niệm về hệ số hấp thụ và định luật về sự hấp thụ ánh sáng của các môi trường như sau: Ix = I0 exp (-x) Định luật này cũng phản ánh một cách tổng quát tính chất hấp thụ lọc lựa mà chúng ta đã trình bày ở trên 6/3/2014 12 II HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG Khi có sự tưong tác giữa chùm Photon và các phân...Tính chất hấp thụ lọc lựa có thể giải thích cơ chế về màu sắc của các sự vật, hiện tượng xung quanh ta Ví dụ : - Máu có màu đỏ - Tương tự lá cây có màu xanh - Mặt nước ở trong các ao hồ hoặc ở biển có màu xanh đậm ở những chỗ sâu và nhạt hơn ở những chỗ nông, nước trong ao trông có vẻ đục lờ lờ nhưng khi ta múc một ít vào trong một ống nghiệm nhỏ, ta có cảm giác như trong hơn - Ngoài ra chính... lựa mà chúng ta đã trình bày ở trên 6/3/2014 12 II HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG Khi có sự tưong tác giữa chùm Photon và các phân tử môi trường các phân tử sẽ chuyển sang các trạng thái kích thích Tuy nhiên, trạng thái kích thích là trạng thái không bền,  trở về TTCB  Khi đó nó giải phóng ra phần năng lượng từ các photon truyền cho Tuỳ thuộc giá trị của lượng năng lượng giải phóng ra đó, mà có thể xảy ra các... các đồng hồ, la bàn ) 6/3/2014 14 III Sơ đồ mức năng lượng - giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang s2 * So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản S*: đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet T : đường mức năng lượng ứng với TT KT Triplet 6/3/2014 s1 * s0 * T s0 15 ... hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào chất cấu trúc môi trường Ví dụ : *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào chất chùm ánh sáng tới Ví dụ 2: *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp... thuyết lượng tử ánh sáng kéo dài ngày 6/3/2014 Thuộc tính sóng ánh sáng Năm 1865, Macxoen đưa thuyết điện tử ánh sáng với nội dung sau: - ánh sáng truyền dạng sóng - Sóng ánh sáng loại sóng điện... Huỳnh quang: phát quang xảy đồng thời với thời gian chiếu sáng chấm dứt ngừng chiếu sáng vào môi trường (ví dụ phát xạ bóng đèn huỳnh quang, đèn hình tivi, máy vi tính ) *Lân quang : phát quang