Материал: Компендиум

При спектральном анализе спектров молекул

используются следующие спектры:

Электронные спектры поглощения биомолекул (УФ область). Используются для: идентификации вещества, исследования динамики протекания биохимических реакций и определения концентрации веществ, определения характера взаимодействия с другими молекулами. Электронные спектры испускания (эмиссии) называются спектрами люминесценции.

Колебательно-вращательные спектры поглощения биомолекул (ИК область). С их помощью получают информацию об энергиях валентных связей молекул, энергиях межмолекулярных взаимодействий, об изменениях структуры молекул.

Вращательные спектры биомолекул (радиодиапазон). Используются для вычисления валентных углов, дипольных моментов, для определения структур молекул.

201

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛ. ТЕПЛОВИДЕНИЕ И ТЕРМОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

1. Тепловое излучение тел и его характеристики

Под тепловым излучением понимают электромагнитное излучение, испускаемое телом, температура которого выше абсолютного нуля. Тепловое излучение возникает из-за того, что часть внутренней энергии тела переходит в излучение. Пока температура тела выше 0 К оно будет излучать э/м волны.

Тепловое излучение тела характеризуется следующими величинами:

1)поток излучения – количество энергии E излучаемой телом за время t :

E / t

2)энергетическая светимость R – поток излучения с

некоторой площади тела S :

R/ S R /(St)

3)спектральная плотность энергетической светимости r : энергетическая светимость тела, приходящаяся не некоторый диапазон длин волн излучения: r dRd . Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называется спектром излучения r f ( ) .

Энергетическая светимость связана со спектральной

плотностью энергетической светимости формулой: R r d .

0

4) монохроматический коэффициент поглощения показывает,

поглощения от длины волны называется спектром

поглощения f ( ).

По типу спектра поглощения все тела делятся:

– абсолютно чёрные тела (АЧТ): 1

202

–серые тела: const 1

–реальные тела: f ( ) 1

–серые тела: const 1

–реальные тела: f ( ) 1

2.Законы теплового излучения и их квантовая интерпретация

Тепловое излучение тел характеризуется 3 законами:

А. Закон Кирхгофа: для тел с одинаковой температурой отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому показателю поглощения есть величина постоянная, т.е.

энергетической светимости АЧТ.

Из данного закона следует, что

–если тело хорошо поглощает на некоторых длинах волн, то на этих же длинах волн оно хорошо излучает;

–АЧТ среди других тел обладает наибольшей спектральной плотностью энергетической светимости;

–для реального тела спектральная плотность энергетической светимости может быть выражена через спектральную плотность энергетической светимости АЧТ и его монохроматический показатель поглощения: r .

Б. Закон Стефана–Больцмана: Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени его температуры:

Re T 4 , где 5.67 10 8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана–

Больцмана В. Закон смещения Вина: длина волны, на которую

приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционально его температуре:

макс b / T , где b 2.9 10 3 м·К – постоянная Вина. Классическая электродинамика столкнулась с трудностями в

определении спектральной плотности энергетической светимости

203

АЧТ, и не могла объяснить выполнение законов Вина и Стефана– Больцмана. Противоречия были разрешены М. Планком, который предположил, что излучение и поглощение света АЧТ осуществляется не непрерывно, а порциями – квантами. Исходя из этого предположения, он получил выражение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:

Из этой формулы выводятся законы Вина и Стефана– Больцмана, следовательно, описание процессов испускания и поглощения теплового излучения АЧТ возможно лишь в

квантовой интерпретации.

3. Термография и тепловидение

Продифференцировав закон Стефана–Больцмана, можно получить формулу:

dRR 4 dTT ,

т.е. относительное изменение температуры тела вызывает в 4 раза большее относительное изменение его энергетической светимости. Таким образом, можно определять температуру тела. Термография – метод определения температуры поверхности тела по его тепловому излучению.

При нормальной температуре большая часть теплового излучения иле приходится на ИК область. Приборы, позволяющие конвертировать ИК-излучение в видимое изображение, называются тепловизорами или термографами. Термография может использоваться как метод быстрой диагностики при определении зон аномальной температуры тела человека: в зонах аномальной температуры возможно нахождение опухолей, очагов воспаления и т.д. С помощью тепловизоров на аэровокзалах определяют переносчиков гриппа и других инфекций, сопровождающихся повышением температуры; проводят исследования динамики охлаждения или нагревания тела при экстремальных температурах.

204