Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. Temperaturstrahlung, Lumineszenz

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Michaela Förstner
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Emissionsspektrum: DJ DM Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. Temperaturstrahung, Lumineszenz 6. Voresung 2015.10.14.

Temperaturstrahung a) Quaitative Beschreibung b) Größen zur quantitativen Beschreibung c) Gesetze: Wiensches Gesetz, Stefan-Botzmann-Gesetz d) Anwendungen: IR-Therapie, IR-Diagnostik, Wärmehaushat

1 Emissionsspektrum: DJ DM Medizinische Biophysik Licht in der Medizin. Temperaturstrahung, Lumineszenz 6. Voresung Aufbau eines Emissionsspektrometers: Lichtquee Monochromator Detektor weitere Verarbeitung V. Lichtemission 2. Temperaturstrahung a) Quaitative Beschreibung b) Größen zur quantitativen Beschreibung c) Gesetze: Wiensches Gesetz, Stefan-Botzmann-Gesetz d) Anwendungen: IR-Therapie, IR-Diagnostik, Wärmehaushat des Körpers Kontinuieriches Spektrum DJ DJ Linienspektrum 3. Lumineszenz a) Quaitative Beschreibung b) Mechanismus bei Atomen und Moeküen c) Gesetze: Stokes-Verschiebung, exponentiees Abkingen d) Anwendungen: Fuoreszenzspektroskopie, -mikroskopie, Sensoren, Lampen, Strahungsdetektoren 1 2 Lichtqueen warmes Licht kates Licht kontinuieriches Spektrum Linien- oder Bandenspektrum 2. Temperaturstrahung a) Quaitative Beschreibung: jeder Körper emittiert Temperaturstrahung bei jeder Temperatur (Ausnahme: 0 K) eektromagnetische Strahung (z.b. IR-Strahung = Wärmestrahung ) stark temperaturabhängig (wachsende T zunehmende Intensität, spektrae Verschiebung) Auf Kosten der Bewegungsenergie der Teichen! kontinuieriches Spektrum b) Größen zur quantitativen Beschreibung: spezifische Ausstrahung (M): M = P W A m 2 spektrae spezifische Ausstrahung (M ): M λ = ΔM Δλ = P A Δλ W m 2 nm M = M λ dλ, d. h. das Fächenstück unter der M () Kurve Temperaturstraher Lumineszenzstraher 3 spektraer Absorptionskoeffizient (a): α = J absorbiert (λ) J einfaend (λ) (0 a 1) 4 1

2 c) Gesetze: kirchhoffsches Gesetz: stärkere Gustav Kirchhoff ( ) Absorption: absout schwarzer Körper/Straher a = 1 ( = a b ) Mode: ( back body = b) ein reeer Körper a < 1 a b a schwächere Emission: emittierte Strahung M b M stärkere Absorption und Emission schwächere Absorption und Emission Vergeichen wir einen reeen Körper mit dem absout schwarzen Körper mithife des kirchhoffschen Gesetzes: M λ α = M λb α b = M λb 1 = M λb Wenn a des Körpers bekannt ist kann M aus M b berechnet werden. Abstraktion: absout schwarzer Körper/Straher 5 M λ = α M λb Wir beschäftigen uns nur mit den Gesetzen für den absout schwarzen Straher. 6 absout schwarzer Körper/Straher: kontinuieriches Spektrum: M (rechtsschief) d) Anwendungen: IR-Therapie: wiensches Verschiebungsgesetz: λmax T = konstant=2880 μm K Stefan-Botzmann-Gesetz: Wihem Wien ( ) M = σt 4 σ = 5, W m 2 K 4 Jozef Stefan ( ) Ludwig Botzmann ( ) 7 8 2

3 IR-Diagnostik: IR-Strahung des Körpers: 9 Mensch abs. schwarz (im IR-Bereich! Siehe Absorptionsspektrum des Wassers!) Grundprinzip der IR-Diagnostik: J wird gemessen von verschiedenen Punkten des Körpers M T (Temperaturkarte) Einige technische Informationen: IR-durchässige Optik spez. Habeiterdetektoren (Abkühung) gute Aufösung (mm, 0,1 C, 30-40Hz) 10 Wärmehaushat des Körpers: Probem: Stoffwechse Wärmebidung Wärmeabgabe ist nötig zur konstanten Körpertemperatur Aktivität Wärmebidung (W) thermotrope choesterische Füssigkristae Absorptionsspektrum des Wassers Aternativmethode: Pattenthermographie (Kontaktthermographie) Wärmeabgabe: Strahung Leitung Verdunstung Anwendung des Stefan-Botzmann-Gesetzes: Netto-Abstrahung (DE): Verdunstung! In Ruhe 115 Langsames Spazieren Radfahren (15 km/h) Treppensteigen (2/s) Laufen (15 km/h) Grundprinzip: thermo-optische Erscheinung

Temperaturstrahung nur schwach temperaturabhängig (mit Ausnahme der

(Dazu müssen die Eektronen zuerst engeregt werden.

Anregung Name Beispie Licht Photoumin. Chinin-suphat, Phosphor, Röntgenstr.

NaI (T) eektrisches Fed Eektroumin. Quecksiberampen mechanische Triboumin.

Eektronenzustände E Moekü = E Eektron + E Vibration + E Rotation Innere

Stokes-Verschiebung: ε phos < ε fuo < ε abs λ abs < λ fuo < λ phos Fuorescein

4 Energie 3. Lumineszenz a) Quaitative Beschreibung: Überschussstrahung über die Temperaturstrahung nur schwach temperaturabhängig (mit Ausnahme der Thermoumineszenz) Linien/Bandenspektrum Aus Eektronenübergängen! (Dazu müssen die Eektronen zuerst engeregt werden.) b) Mechanismus: Lumineszenz von Atomen: Fuoreszenz&Phosphoreszenz Art der Anregung Name Beispie Licht Photoumin. Chinin-suphat, Phosphor, Röntgenstr. Röntgenoumin. NaI (T) radioaktive Str. Radioumin. NaI (T) eektrisches Fed Eektroumin. Quecksiberampen mechanische Triboumin. Würfezucker Wirkung chemische Reaktion Chemoumin. Gühwürmchen (Bioumin.) Wärme Thermoumin. CaSO4 (Dy) Lumineszenz von Moeküen: Jabonski-Diagramm: verschiedene Eektronenzustände E Moekü = E Eektron + E Vibration + E Rotation Innere Konversion Reaxation Interkombination Wärme c) Gesetze: Linien/Bandenspektrum Stokes-Verschiebung: ε phos < ε fuo < ε abs λ abs < λ fuo < λ phos Fuorescein metastabier Zustand exponentiees Abkingen in der Zeit nach einer kurzzeitigen impusförmigen Anregung: Intensität, J Anregung Fuoreszenz Phosphoreszenz verschiedene Vibrationszustände J 0 J 0 /e t J = J 0 e t τ Zeit, t τ fuo < τ phos 15 Lebensdauer (Fuoreszenezebensdauer oder Phosphoreszenzebensdauer) ns ms - s 16 4

5 Weenänge (nm) d) Anwendungen: Fuoreszenzspektroskopie z.b. Proteinforschung Anregungsspektrum (Emission: 340 nm) Fuoreszenz (Anregung: 295 nm) Phosphoreszenz (Anregung: 295 nm) Aufbau eines Fuorimeters Anregungsicht Küvette Fuoreszenzicht Tryptophan Lichtquee Fiter oder Monochromator Fiter oder Monochromator Detektor Fuoreszenzmikroskopie H u á m ho ss z (n m) Beispie: Cabindin denaturációja cabindin Cabindin +Ca cabindin+edta Cabindin GdnHC GdnHC konc. Konzentration (mo/) (mo/) Tyrosin Phenyaanin Weenänge (nm) Sensoren Sauerstoffsensor Caciumsensor Caciumween Lampen Germizidampen Niederdruckquecksiberdampfampe n Gukosesensor Bauichttherapie von Neugeborengebsucht

6 Leuchtdiode (ight emitting diode LED) Habeiterdiode Strahungsdetektoren (Röntgenstrahung, radioaktive Strahungen, ) z. B. NaI(T) Durchaßrichtung + U 21 (s. noch Thermoumineszenzdosimeter) 22 Monitore Zahnheikunde Bioumineszenz +Abenkpatten 23 Laser (s. später) 24 6

7 Hausaufgaben: Aufgabensammung 2.47, 49, 51, 53, 56, 58, 60, ,

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