biofizika előadásjegyzet
az elektromágneses sugárzások fizikai tulajdonságaik megegyeznek, de hatásukban eltérnek
- nincs tömegük (m - Ø)
- nincs töltésük (q - Ø)
- jellemző minőségük a
- hullámhossz (λ) [a hullám két azonos fázisú pontja közötti távolság]
- T periódusidő [hullámhossz megtételéhez szükséges idő]
- c terjedési sebesség [cfény=3•108m/s]
- frekvencia [jele: f vagy ν] [Hz]
- azonos a terjedési sebességük
- nem téríthetők el, mert nincs töltésük
- ebben a hullámban energia terjed, ennek az egysége a foton
- E = h • ν = h • c / λ
- ahol h – Planck állandó (6,6•10-34 J • s)
- elektronvolt energiaegység
1eV = (E = q • U) = 1,6 • 10-19 C • 1V = 1,6 • 10-19 J
- a fotont jellemezhetjük
- energiájával
- frekvenciájával
- hullámhosszával
a teljes elektromágneses sugárzási spektrumból a γ-sugárzás az egyedüli magsugárzás, a többi az atom elektronhéjában lejátszódó folyamatokból származik, ezeket közös néven fénysugárzásnak nevezzük. az elektromágneses sugárzás kettős természete:
1. hullámtermészet: elhajlás interferencia polarizáció a hullámtermészet a λ-növekedés irányában válik dominánssá 2. részecsketermészet: fotoelektromos hatás (pl.: fotocella) fotokémiai hatás (pl.: filmfeketedés) a részecsketermészet a λ-csökkenés irányában válik dominánssá
a fény kölcsönhatása atomi rendszerekkel: (fény emisszió/abszorpció)
emisszió: akkor jön létre, ha a rendszer többletenergiával rendelkezik, mert gerjesztett állapotban van. a gerjesztés abszorpciót igényel.
az elektron (e-)akkor kerül magasabb energiaszintű atompályára, ha megfelelő energiát közlünk vele az energiaminimumra való törekvés miatt a gerjesztett e- alacsonyabb energiaszintű pályára ugrik vissza, és közben a többletenergiát kisugározza foton formájában.
a gerjesztett állapot megszűnése a rekombináció. a rekombináció spontán és nem igényel energiát. ez a fényemiszó. a gerjesztés diszkrét energiával történik, mert az e- csak a megfelelő mennyiségű energiát nyeli el. a kibocsátott fény kvantuma (fotonenergiatartomány) is diszkrét, az atomra jellemző érték.
a gerjesztés történhet: - termikusan (lángfestés)
- elektromosan (kisülési csövek)
- optikai módon (fotoszintézis)
az emisszió lehet: - spontán
- indukált: az emittált fotonnal azonos frekvenciájú foton váltja ki az emissziót (lézerfény)
abszorpció: fénnyel történő gerjesztés
optikai gerjesztés: 1. az elnyelődött foton csak perturbálja (megzavarja) az atomi rendszert. - nagyon rövid idejű (10-15s) - ezután fényemisszió történik, foton emittálódik, ez lehet: koherens szórás [klasszikus v. Rayleigh-szórás]
(a beeső fotonnal azonos az emittált foton energiája)
Raman-szórás (eltérő frekvenciájú foton lép ki) 2. az elnyelődő foton az atomi rendszert ténylegesen magasabb energiaállapotba juttatja (gerjesztés) - időtartama hosszabb (10-8 -10-3 s) - a gerjesztési energia (abszorbeálódott E) többféle módon emittálódhat: foton formájában (lumineszcencia) fotokémiai reakciót létrehozva fononemisszió formájában a belső energia kvantuma a fonon a gerjesztési energia hővé degradálódik ez a szűkebb értelemben vett fényabszorpció 3. a gerjesztő foton fényelektromos hatást vált ki (fotoeffektus) Compton-effektus, párképződés pl.: fotocella
alapfogalmak
sugárzási teljesítmény (időegységre vonatkoztatott emittált energia) Φ = dQ / dt [W = J/s] sugárzás intenzitása I = dφ / dA = dQ / (dt • dA) [W/m2] a sugárzás terjedési irányára merőleges egységnyi felületen egységnyi idő alatt áthaladó energia teljesítménysűrűség (besugárzott teljesítmény) E = dφ / dA a sugárzás terjedési irányára merőleges egységnyi felületre egységnyi idő alattbeesőenergia a sugárzásintenzitás gyengülésének törvénye a sugárzás intenzitása az abszorbens rétegvastagságának függvényében exponenciálisan csökken -dI = μ • I • dx ahol μ arányossági tényező (gyengülési együttható) x a rétegvastagság a differenciálegyenletet átrendezve: ln I = - μ • x + c (c konstans) I = c • e -μ • x << a differenciálegyenlet általános megoldása I = I0 • e -μ • x << az integrális alak (I0 a kezdeti intenzitás) a felezési rétegvastagság (D) a sugárzás intenzitását a felére csökkenti I0 / 2 = I0 • e -μ • D vegyük a reciprokát 2 = e μ • D vegyük a természetes alapú logaritmusát μ = 0,693 / D
