Záření Martina Viková LCAM DTM FT TU Liberec, martina.vikova@vslib.cz time unit of time
Definice zářenz ení Záření je vysílání nebo přenos energie v podobě elektromagnetických vln nebo částic-fotonů. Libovolné záření lze rozložit na složky se sinusovým průběhem. Každá složka je charakterizována jedinou frekvencí případně vlnovou délkou,přičemž platí: λ = c 0. ν 1
Definice světeln telného zářenz ení Pod pojmem světelné záření se rozumí viditelné záření, které je zhodnoceno zrakovým orgánem pozorovatele podle citlivosti oka k záření různých vlnových délek, přičemž platí,že viditelné záření je jakékoliv optické záření schopné přímo vyvolat vizuální počitek.
Přehled kmitočtov tového spektra elektromagnetického záření S blízké, M střední, L vzdálené, IR infračervené, UV ultrafialové.
Teorie světla Všechny zdroje světla pracují na stejném principu: foton je emitován atomem při přechodu elektronu na nižší hladinu, při přechodu z vybuzeného do základního stavu. Vznik světla je možné vysvětlit jen v rámci kvantové fyziky. Nelze jej vysvětlit v rámci elektromagnetické teorie. Tato teorie rovněž selhává při vysvětlení činnosti detektorů světla, ale je velice funkční pro popis šíření světla prostorem a prostředím. Detekci světla lze vysvětlit zase jen v rámci kvantové fyziky. Pro šíření světla prostředím je podstatná jen elektrická složka E elektromagnetické vlny. Ta odpovídá za index lomu, rozptyl světla a jiné procesy (např. stimulovaná emise fotonů). Obě složky jsou svázány Maxwellovými rovnicemi, tj. nejsou nezávislé.
Zdůvodnění tohoto tvrzení lze opřít o silové působení elektromagnetické vlny, to je veličin E a B na atomy. Pro odhad maximální velikosti této síly F postačí odhadnout silu,která působí na elektron pohybující se rychlostí v: F = Fe + Fm = ee ± evb sinα Z Maxwellových rovnic plyne, že B=E/c. Maximální velikost pak bude dána vztahem: E v F max = ee + ev = ee(1 + ) ee = c c F e Předpoklad, že v/c << 1, je pro pohyb elektronů kolem jádra dobře splněn. Výsledné silové působení určuje tedy jen elektrická složka, magnetickou není třeba uvažovat.
Planckův zákon Viková, M. : ZÁŘENÍ
Spektráln lní průběh h zářenz ení černého tělesat 1,00E+14 Absolute Irradiance [W/m-2/m] 9,00E+13 8,00E+13 7,00E+13 6,00E+13 5,00E+13 4,00E+13 3,00E+13 1500 3000 4500 6000 2,00E+13 1,00E+13 0,00E+00 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 Wavelenght [nm]
Zdroje světla (1) Žárovka V případě žárovky svítí wolframové vlákno, které se ve skleněné baňce žhaví elektrickým proudem.v baňce je vakuum nebo netečný plyn, aby vlákno neshořelo. Atomy vlákna jsou buzeny vzájemnými srážkami, které vyvolává vysoká teplota. Zářivka V případě zářivky svítí stěny trubice, na nichž je nanesena látka - luminofor, jejíž atomy jsou buzeny jednak ionty plynu, jednak fotony, které vznikají při elektrickém výboji v plynové náplni uvnitř trubice. Tento proces vzniku světla se nazývá luminiscence.
Zdroje světla (2) Výbojky V křemenné baňce, kde je například kapka rtuti, vznikne elektrický výboj a tím se odpaří i zbytek rtuti. Atomy rtuťových par jsou buzeny vzájemnými srážkami při elektrickém výboji. Takovým zařízením se říká výbojky. Náplň mohou tvořit i jiné plyny při sníženém tlaku. Lasery Lasery tvoří aktivní prostředí a optický rezonátor vyvolávající stimulovanou emisi fotonů. U všech výše uvedených zdrojů šlo o spontánní (náhodnou) emisi fotonů. Název laser je zkratka slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER.
Princip činnosti laserů (1) Laser = aktivní prostředí + optický rezonátor Schéma potenciální energie elektronů v atomu E E (+) 0 neobsazené hladiny (+) 0 Obsazená hladina (-) hladiny obsazené elektrony (-) Neobsazená hladina STABILNÍ STAV Doba života = nekonečno NESTABILNÍ STAV Doba života < 1 μs
Princip činnosti laserů (2) E (+) 0 (-) Obsazená hladina Neobsazená hladina ΔE = hν = hc/λ METASTABILNÍ STAV Doba života >~ 1 ms Přechod atomů z nestabilního ( i metastabilního) stavu do stabilního stavu se děje tzv. spontánní emisí fotonů s energií hν. Stabilní jsou jen stavy s minimální potenciální energií (elektrony jen na nejnižších hladinách). Pro viditelné světlo je ΔE = 2 až 4 ev Ale! Metastabilní stav atomů + Elektrické pole o frekvenci ν Stimulovaná emise fotonů s energií hν
Princip činnosti laserů (3) Optický rezonátor Z λ/2 1 Z 2 E(νt) L = M λ M / 2= Mc/2ν M 1. Z1 a Z2 jsou rovnoběžná zrcadla s odrazivostí větší než 99%. 2. Délka rezonátoru L je M násobkem půlvlny (M je celé číslo). Délce L odpovídají vlastní frekvence rezonátoru ν M (podélné módy laseru). 3. Uvnitř rezonátoru je stojaté vlnění elektrického pole E o frekvenci ν M = c/λ M
Vlastnosti aktivního prostředí Druhy laserů Excitace atomů do metastabilního stavu Srážkami mezi atomy dvou druhů (He-Ne, CO 2 ) Optickou excitací - čerpáním (rubín, neodymové sklo) Excitací při chemické reakci (eximery) Průchodem elektrického proudu (polovodiče,gaas) a jiné způsoby Světelný výkon laserů: 1. Kontinuální laser až desítky mw 2. Pulsní laser při středním výkonu 10 mw může mít parametry: délka pulsu = 1 ns, energie v pulsu = 1 MJ, opakovací frekvence = 10 Hz
Lom světla θ 1 n 1 n 2 θ 2 Snellův zákon: n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 (Or, if θ 1 and θ 2 are small, n 1 θ 1 = n 2 θ 2 )
Totáln lní odraz světla α αm n1 R = 100% sin α = m n n 2 1 n2 rozhraní Mezní úhel existuje pro n1 > n2. Odrazivost je 100%, když platí α > α m Aplikace totálního odrazu: 1. totálně odrážející hranoly (triedry) 2. děliče optických svazků 3. světlovody 4. optická vlákna ve sdělovací technice
Odrazivost a absorpce Při průchodu světla světlo-propustnými materiály dochází k odrazu, absorpci a rozptylu světla. Odrazivost R světla na rozhraní závisí obecně na úhlu dopadu, Při dopadu kolmo na rozhraní je dána jednoduchým vztahem: d R = I I = ( n ( n + n r 1 2 0 1 n 2 ) ) 2 2 *100 % 100% 4% 4% μ Ztráta intenzity absorpcí průchodem přes vrstvu tloušťky d s koeficientem lineární absorpce μ(λ) : n1 = 1 n2 = 1,5 92% - A A = I I 0 = e μ d * 100 % Absorpce v přímém směru je důsledek: 1. fotoefektu (fluorescence, růst teploty) 2. rozptylu světla v nehomogenním prostředí
Základní veličiny iny Míra fyzikálně-chemických účinků záření na látku - úměrná koncentraci iontů vzniklých v daném objemu látky. Koncentrace iontů -úměrná energii záření v daném objemu látky absorbované. Absorbovaná dávka D - energie ionizujícího záření absorbovaná v daném místě ozařované látky na jednotku hmotnosti. D = DE / Dm, DE - střední energie ionizujícího záření absorbovaná objemovým elementem látky, Dm - hmotnost objemového elementu. Jednotkou absorbované dávky je 1J /1kg = 1Gray
Z hlediska biologických účinků se ionizujícího záření dělí podle hustoty ionizace: - řídce ionizující - záření X, gama, beta. - hustě ionizující - záření alfa, neutronové záření, protonové záření. Jakostní faktor Q ("relativní biologická účinnost") - kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než záření fotonové - X nebo gama (za základ se bere rentgenové záření o energii 200keV). Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka) v uvažované tkáni je dán součinem absorbované dávky D v daném místě a jakostního faktoru Q: H = Q. D. Jednotkou dávkového ekvivalentu je 1 Sievert [Sv].
Mechanismy účinku zářenz ení na živou tkáň Fyzikální stadium Při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech za vzniku ionizace a excitace Fyzikálně-chemické stádium Sekundární fyzikálně-chemické procesy interakce iontů s molekulami disociace molekul a vznik volných radikálů Chemické stádium Vzniklé ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami a mění jejich složení a funkci. Biologické stádium Molekulární změny v biologicky důležitých látkách (v DNA, enzymech, proteinech) - funkční a morfologické změny v buňkách, orgánech i v organismu jako celku.
Zásahová teorie "přímého účinku" poškození důležité části buňky, především jádra, nastává při přímém zásahu kvantem záření dochází k lokální absorpci energie, ionizaci a následné chemické změně zasažené struktury mechanismus má pouze druhořadý význam, pravděpodobnost takových "přímých zásahů" je poměrně nízká citlivost živé tkáně k záření by byla podstatně menší než se pozoruje.
Radikálov lová teorie "nepřímého účinku" každý organismus je složen především z vody, v níž jsou rozptýleny biologicky aktivní látky. Interakce zářenísživou tkání-především na molekulách vody. Vlivem ionizace dochází k radiolýze vody - vznikají velmi reaktivní volné radikály H, OH a produkty schopné oxidace (H 2 O 2, HO 2 ). Reaktivní zplodiny napadají organické molekuly biologicky důležitých látek a chemicky je pozměňují či destruují.
Biochemické změny: mění strukturu důležitých makromolekul - porucha funkce Biologické změny: - bílkoviny - po ozáření nastává změna až koagulace, nejcitlivější je bílkovina obsahující SH (sulfidickou) skupinu za přítomnosti O2 - nukleové kyseliny -přerušení vodíkových můstků, vznikají nové vazby a buňka nemůže plnit svou funkci -zlom: jednoduchý - kontinuita v místě 1 vlákna (reparace) x dvojitý - porucha funkce - enzymy - po ozáření dojde k anihilaci - ztrátě funkce - buněčné membrány -změny vlastností vedoucí k poškození a zániku buněk, a k poškození tkání a orgánů.
UV-zářen ení 200~800 nm 600~150 kj/mol Energie o stejné úrovni jaká je energie příslušníé vazby - kovalentní vazba: 250~400 kj/mol C-H ; 414 kj/mol C-C ; 346 kj/mol H-H ; 432 kj/mol C=C ; 615 kj/mol - Anorganické sloučeniny Ni(CO) 4 Ni(CO) 3 + CO ; ~105 kj/mol Fe(CO) 5 Fe(CO) 4 + CO ; ~172 kj/mol - Organokovové sloučeniny Re-CH 3 in CH 3 Re(CO) 5 ; ~223 kj/mol Mn-CH 2 Ph in PhCH 2 Mn(CO) 4 P(OAr) 3 ; ~118 kj/mol
Sluneční záření může e způsobovat rakovinu kůžk ůže : Actinická keratóza Lentigo maligní melanom
Sluneční záření Atmosférická absorpce je velmi výrazná u dlouhých vzdáleností. Ale pro vzdálenosti menší než 100 m je prakticky zanedbatelná
UV ZářenZ ení
Diagram rozložen ení UV indexu nad Evropou
Druhy kůžk ůže e : Typ kůže (popis) Označení Reakce na slunění Ochranná reakce kůže Čas pro první expozici bez reakce 1MED I. (kůže nápadně světlá, pihy husté, vlasy rezavé, oči modré, zřídka hnědé; prsní bradavky velmi světlé) Keltský typ (2 %) vždy těžký žádná červená kůže bez pigmentace, za 1-2 dny se loupe 5-10 minut 200 Jm -2 II. (kůže trochutmavšínež I., pihy řídké, vlasy blond až hnědé, oči modré, zelené, šedé; prsní bradavky světlé) Evropan se světlou pletí (12%) vždy silný velmi slabá pigmentace, kůže se loupe 10-20 minut 250 Jm -2 III. (kůže světlá, světle hnědá; pihy žádné, pigmentové névy hnědé, prsní bradavky tmavší) Evropan s tmavou kůží (78%) zřídka mírný Průměrná reakce s pigmentací 20-30 minut 350 Jm -2 IV. (kůže světle hnědá, olivová; pihy žádné, pigmentové névy tmavé, vlasy tmavé, oči tmavé, prsní bradavky tmavé) Středomořský typ (8%) téměř nikdy rychlá reakce, hluboká pigmentace 40 minut 450 Jm -2
UV Index UV-index je mezinárodně standardizovaná bezrozměrná veličina charakterizující úroveň erytemového slunečního ultrafialového záření dopadající na zemský povrch, vyjadřující biologický efekt na lidské zdraví.
Dávka UV MED (minimal erythemal dose) Používaným kritériem je stanovení minimální dávky ozáření, které způsobí mírné zčervenání kůže tzv. střední erytémová dávka.
IN VIVO It was used the "on-skin"-method: The sample was put directly on the skin. A sun simulator served as the radiation source. Thesunprotectionfactoris computed based on the quotient of the necessary minimal erythema dose (MED) of the covered to the uncovered skin.
kde : 400nm 290nm UPF = 400 nm 290nm E E λ λ UPF 1 Míra ochrany před UV zářením je počítána pomocí UPF (ultraviolet protection factor) nebo pomocí SPF (kosmetika ) Tyto faktory v sobě zahrnují vážený vliv UV záření na organismus (E λ ) a spektrální distribuci slunečního záření (S λ ) S S λ λ T Δλ λ Δλ E λ erytemální spektrální úcinnost podle CIE S λ spektrální distribuce sluneční energie T λ spektrální transmise testovaného vzorku Δλ šířka měřeného pásma
UPF 2 Protection category UPF Ratings UV Blocked Excellent Protection 40, 45, 50, 50+ more than 97,5% Very Good Protection 25, 30, 35 95,9% to 97,4% Good Protection 15, 20 93,3% to 95,8 AS/NZS 4399:1996 AATCC 183:1998 and BS 7914:1998 no specific rating Vliv hustoty dostavy
Spektrofotometrie monochromatický osvit Light source Monochromator Integrating sphere Optics Slit Sample Analytical spectrophotometry device Photo multiplier tube
Spektrofotometrie- polychromatický osvit Light source Integrating sphere Diffraction grating Optics Slit Sample Optics Photo diode array
Regulárn rní,, difúzn zní a totáln lní transmise regulární transmise difúzní transmise totální transmise
Podíl l UV zářenz ení ve slunečním m svitu Clear Sky Solar spectral radiation Cloudy Sky
Spektrofotometrie LCAM UPF Light source Integrating sphere Diffraction grating Slit Optics Sample UV filter Optics Photo diode array
Transmise: BAVLNA-průměrné hodnoty 25 20 15 T% 10 5 0 280 300 320 340 360 380 400 nm bez úpravy kachbrite-ba slepa vzorka Kachbrite-Ba 0,05% Kachbrte-Ba 0,1% Kachbrite-P slepa vzorka Kachbrite-P 0,05% Kachbrite-P 0,1%
Chyby měření Systematika chyb: chyby hrubé - vznikají hrubým zásahem z do procesu měřm ěření, jejich velikost významně převyšuje rozptyl chyby statistické systematické - vznikají v důsledku d chybných kalibrací, interpretací a pod., zatěž ěžují stejným způsobem výsledek každého nezávisle opakovaného měřm ěření statistické - jsou důsledkem d náhodných n fluktuací,, které se popisují metodami matematické statistiky Nejistota (výsledku) měřm ěření - uncertainty CIMP - Comit Comité International des Poinds et Mesures (1981, 1985) ISO (Mezinárodn rodní Organisace pro Normalisaci) Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements (1993) US National Institute of Standards and Technology, Technical Note 1297