происходят в результате воздействия света на организм. Важнейшими Ф. п. у растений являются фотосинтез (синтез органических молекул за счет энергии солнечного света), фототаксис (движение организмов, например бактерий, к свету или от света), фототропизм (поворот листьев или стеблей растений к свету или от света), фотопериодизм (регуляция суточных и годовых циклов жизни путем циклических воздействий свет — темнота).
У человека и животных к Ф. п. относят Зрение, фотопериодизм и др. У животных фотопериодически регулируются сезонные и годичные ритмы роста, размножения, запасания жира, линек, миграций и т.д. Под действием Уф-излучения происходит образование в организме витамина D из провитаминов. Пигментация кожи (загар) — защитный Ф. п., приводящий к образованию меланина.
Фотохимические реакции — химические реакции, которые инициируются воздействием электромагнитных волн, в частности — светом. Примерами фотохимических реакций являются фотосинтез в растениях, распад бромида серебра в светочувствительном слое фотопластинки, превращение молекул кислорода в озон в верхних слоях атмосферы, фотоизомеризация, фотохимически инициируемые перициклические реакции, фотохимические перегруппировки (напр. ди-π-метановая перегруппировка) и т.п.
Основными требованиями для фотохимических реакций являются:
энергия источника излучения должна соответствовать энергии электронного перехода между орбиталями;
излучение должно быть способным достичь целевых функциональных групп и не быть заблокированным реактором и другими функциональными группами.
Фотовозбуждение — первая стадия фотохимического процесса, когда реагирующее вещество переходит в состояние с повышенной энергией. Фотосенсибилизатор поглощает излучение и передаёт энергию реагирующему веществу. Обратный процесс называется «закалкой», когда фотовозбуждённое состояние деактивируется химическим реагентом.
|
|
Фотовозбуждение — это механизм возбуждения электронов путём поглощения фотона, при котором энергия фотона значительно ниже порога фотоионизации. Поглощение фотона происходит в соответствии с квантовой теорией Планка.
Фотовозбуждение играет главенствующую роль в процессе фотоизомеризации; кроме того, используется в цветосенсибилизированных солнечных батареях, фотохимии, люминисценции, лазерах с оптической накачкой и других фотохромных приложениях
Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфоров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах).
|
|
Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды:
фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на
флуоресценцию (время жизни 10−9-10−6 с);
фосфоресценцию (10−3-10 с);
хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций;
катодолюминесценция — вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами);сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;
рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей.
радиолюминесценция — при возбуждении вещества γ-излучением;
триболюминесценция — люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями — свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.
электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определенные типы люминофоров.В настоящее время наиболее изучена фотолюминесценция.У твердых тел различают три вида люминесценции:
мономолекулярная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы;
метастабильная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы, но с участием метастабильного состояния;
|
|
рекомбинационная люминесценция — акты возбуждения и испускания света происходят в разных местах.
Флуоресце́нция — физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S1 в основное состояние S0. В общем случае флуоресценцией называют разрешенный по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями или триплетными. Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10−11−10−6 с.Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции — запрещенного по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбужденного триплетного состояния T1 в основное состояние S0. Синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10−3−10−2 с.
Прохождение света через материальные среды сопровождается уменьшением его интенсивности- поглощением. При этом Е световой волны затрачивается на возбуждение электронов.
Закон Бугера
Как показывает опыт интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:
I(x)=I0 e-аx,где
I0 - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x,
α - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.
Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 1020 раз), С. И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения αуменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10-8 с.) находится в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.
Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
I(l)=I0e-kдлина волны l
где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ - длина волны).
Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.
Оптическая плотность — мера поглощения света прозрачными объектами (такими, как фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография).
Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося), т. е. это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения).
Коэффициент пропускания среды равен отношению плотности потока излучения, прошедшего через среду, к плотности потока, попавшего на её поверхность:
τ=Φ/Φ0
Где:
τ — коэффициент пропускания;
Φ — поток излучения;
Φ0 — величина поверхности среды.
Чаще всего понятием коэффициент пропускания пользуются для световых потоков.
Значение коэффициента пропускания тела зависит от его размера, формы и состояния поверхности, а также от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ультрафиолетовые лучи, УФ излучение), не видимое глазом эл.-магн. излучение, занимающее спектр. область между видимым и рентгеновским излучением в пределах длин волн l от 400 до 10 нм. Область У. и. условно делится на ближнюю (400—200 нм) и далёкую, или вакуумную (200— 10 нм); последнее назв. обусловлено тем, что У. и. этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование возможно только в вакууме. Ближнее У. и. открыто в 1801 нем. учёным И. В. Риттером и англ. учёным У. Волластоном, вакуумное до 130 нм— нем. физиком В. Шуманом (1885— 1903), а до 25 нм — англ. физиком Т. Лайманом (1924). Промежуток между вакуумным У. и. и рентгеновским изучен к 1927. Спектр У. и. может быть линейчатым (спектры изолированных атомов, ионов, лёгких молекул), непрерывным (спектры тормозного или рекомбинац. излучения) или состоять из полос (спектры тяжёлых молекул; При взаимодействии У. и. с в-вом могут происходить ионизация его атомов и фотоэффект. Оптич. св-ва в-в в УФ области спектра значительно отличаются от их оптич. св-в в видимой области. Характерно уменьшение прозрачности в У. и. (увеличение коэфф. поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Коэфф. отражения всех материалов (в т. ч. металлов) уменьшается с уменьшением Источники У. и. Излучение накалённых до темп-р =3000 К тв. тел содержит заметную долю У. и. непрерывного спектра, интенсивность к-рого растёт с увеличением темп-ры. Более мощный источник У. и.— любая высокотемпературная плазма. Для различных применений У. и. используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы, окна к-рых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для У. и. материалов (чаще из кварца). Интенсивное У. и. непрерывного спектра испускают эл-ны в ускорителе. Естеств. источники У. и.— Солнце, звёзды, туманности и др. космич. объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения (l>290 нм) достигает земной поверхности. Более коротковолновое излучение поглощается атмосферой на выс. 30—200 км, что играет большую роль в атм. процессах. У. и. звёзд и др. космич. тел, кроме того, в интервале l=91,2—20 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом. Применение У. и. Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ области позволяет определять электронную структуру атомов, молекул, ионов, твёрдых тел. УФ спектры Солнца, звёзд, туманностей несут информацию о физ. процессах, происходящих в горячих областях этих космич. объектов. На фотоэффекте, вызываемом У. и., основана фотоэлектронная спектроскопия. У. и. может нарушать хим. связи в молекулах, в результате чего могут возникать разл. фотохим. реакции, что послужило основой для фотохимии. Люминесценция под действием У. и. используется для создания люминесцентных ламп, светящихся красок, в люминесцентном анализе, дефектоскопии. У. и. применяется в криминалистике и искусствоведении. Способность разл. в-в к избирательному поглощению У. и. используется для обнаружения вредных примесей в атмосфере и в УФ микроскопии. Биологическое действие У. и. У. и. поглощается верх. слоями тканей растений, кожи человека или животных. При этом происходят хим. изменения молекул биополимеров. Малые дозы оказывают благотворное действие на организмы — способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиол. свойства. Большие дозы могут вызывать повреждение глаз и ожог кожи.
Рентгеновские излучения (икс-лучи) были открыты первыми из всех ионизирующих излучений и наиболее хорошо изучены. У них та же физическая природа (электромагнитное поле) и те же свойства, что и у гамма-излучений. Их различают прежде всего по способу получения, и в отличие от гамма-лучей они имеют внеядерное происхождение. Излучение получают в специальных вакуумных рентгеновских трубках при торможении (ударе о специальную мишень) быстро летящих электронов.
Энергия квантов рентгеновских лучей несколько меньше, чем гамма-излучения большинства радиоактивных изотопов; соответственно несколько ниже их проникающая способность. Однако это второстепенные различия. Поэтому рентгеновские лучи широко используют вместо гамма-излучения, в частности для экспериментального облучения животных, семян растений и т. п. С этой целью применяют рентгеновские установки для облучения (просвечивания) людей.
Лучшими защитными материалами от рентгеновских лучей являются тяжелые металлы и в частности свинец.В последние десятилетия появилась возможность получать электромагнитные излучения высокой энергии с помощью ускорителей заряженных частиц. Такое синхротронное излучение обладает теми же свойствами, что и рентгеновское и гамма-излучение.
Радиоактивность — это природное явление, когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения.По своей физической природе это потоки элементарных, быстродвижущихся частиц, входящих в состав атомных ядер, а также их волновое электромагнитное излучение. Эти излучения имеют большую энергию. Их общим свойством является способность ионизировать вещество, среду, в которой они распространяются: воздух, воду, металлы, человеческий организм и т. д. При этом нейтральные атомы и молекулы вещества распадаются на пары положительно и отрицательно заряженных частиц — ионов.Основные типы радиоактивных излучений: альфа, бета, нейтронные (группа корпускулярных излучений), рентгеновские и гамма-излучения (группа волновых). Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека.Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.Бета-излучение — поток бета-частиц, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц. Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле с длиной волны 10~8—10~и см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц.Зато гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3, бетона — 10, дерева — 30 см.Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении
Закон радиоактивного распада-закон,открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом.Во всех случаях,когда отделяли один из радиоактивных прод.и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещ-ва,из которого он образовался,было обнаружено,что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.Скорость превращ.все время пропорциональна кол-ву систем,еще не подвергнувшихся превращ.
dN/dt= -длина волны N,которое означает,что число распадов за интервал времени
t в произвольном вещ-ве пропорциональна числу имеющихся в образце атомов N.На практике использовать среднее время жизни неудобно из-за нецелочисленности отношения скоростей распада,разделенных временем,поэтому чаще используется другая временная хар-ка-период полураспада,равная времени,в течение которого число радиоактивных атомов или скорость распада уменьшаются в 2 раза.
.Ионизация вещества всегда сопровождается изменением его основных физико-химических свойств, а для биологической ткани — нарушением ее жизнедеятельности. Поэтому радиоактивные излучения и оказывают на живой организм поражающее действие.Для ионизации вещества требуется затрата определенной энергии внешних сил. Поэтому, проникая в вещество и ионизируя его, радиоактивное излучение постепенно теряет свою энергию.Ионизирующая способность радиоактивного излучения зависит от его типа и энергии, а также свойства ионизирующего вещества и оценивается удельной ионизацией, которая измеряется количеством ионов этого вещества, создаваемых излучением на длине в 1 см.Чем больше величина удельной ионизации, тем быстрее расходуется энергия излучений, т. е. тем меньший путь пройдет излучение в веществе до полной потери своей энергии. Поэтому чем больше ионизирующая способность излучения, тем меньше его проникающая способность, и наоборот.Поражение человека радиоактивными излучениями возможно в результате как внешнего, так и внутреннего облучения. Внешнее облучение создается радиоактивными веществами, находящимися вне организма, а внутреннее — попавшими внутрь с воздухом, водой и пищей. Очевидно, что при внешнем облучении наиболее опасны излучения, имеющие высокую проникающую способность, а при внутреннем — ионизирующую.Считают, что внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, от которого нас защищают стены помещений, одежда, кожные покровы, специальные средства защиты и др.Внутреннее же облучение воздействует на незащищенные ткани, органы, системы тела, причем на молекулярном, клеточном уровне. Поэтому внутреннее облучение поражает организм больше, чем такое же внешнее
Дозиметрия ионизирующих излучений
раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений (Ионизирующие излучения). Основной дозиметрической величиной является Доза ионизирующего излучения и ее модификации. Задача Д. и. и. — описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения.
Необходимость разработки Д. и. и. возникла вскоре после открытия Рентгеном (W.К. Röntgen) в 1895 г. излучения, названного его именем. Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, а с другой — указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. В начале 20 в. основными источниками излучения были радий и рентгеновские аппараты, и Д. и. и. сводилась фактически к дозиметрии фотонного ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения). Затем по мере развития технических средств ядерной физики, создания и усовершенствования ускорителей заряженных частиц и особенно после пуска в 1942 г. первого ядерного реактора число источников и связанных с ними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с этим появились методы дозиметрии потоков заряженных частиц, нейтронов, высокоэнергетического тормозного излучения и др. Стал расти и список дозиметрических величин, соответствующих задачам многообразного практического применения ионизирующих излучений различной природы.
Физической основой Д. и. и. является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.Многообразие условий облучения и многофакторный характер его последствий не позволяют обходиться единственной дозиметрической величиной, приспосабливая ее к изменению этих условий и факторов. Необходим целый набор дозиметрических величин, из которых в зависимости от условий облучения и поставленной задачи выбирают наиболее адекватную меру радиационно-индуцированного эффекта. Примером такой величины является введенный.