Quang sinh ánh sáng và sự sống

6/3/2014 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA BỘ MÔN LÝ SINH Y HỌC QUANG SINH ÁNH SÁNG VÀ SỰ SỐNG 6/3/2014 2 I. BẢN CHẤT ÁNH SÁNG KHÁI NIỆM LƯỢNG TỬ NĂNG LƯỢNG (PHOTON) MỤC TIÊU : HIỂU RÕ VỀ LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG GHI NHỚ MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐẶC TRƯNG CHO MỖI THUỘC TÍNH 6/3/2014 3 1. Khái niệm 1. Lược sử về cấu tạo vật chất và bản chất của ánh sáng Trong suốt mấy ngàn năm qua, con người không ngừng đi sâu tìm hiểu bản chất của ánh sáng và cấu tạo của vật chất nói chung. Đó là một quá trình lâu dài với không ít những sự kiện và biến đổi phức tạp của khoa học. Có thể chia quá trình đó thành 3 giai đoạn : Giai Đoạn 1: Bắt đầu từ vài trăm năm trước công nguyên và kéo dài đến giữa thế kỷ 17. Giai Đoạn 2: Bắt đầu từ khi có những thuyết đầu tiên, về bản chất của ánh sáng và kết thúc bằng sự ra đời của thuyết điện từ ánh sáng của Mac-xoen. Giai đoạn 3: Bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 bằng sự ra đời của Lý thuyết lượng tử ánh sáng và kéo dài cho đến ngày nay 6/3/2014 4 Năm 1865, Macxoen đã đưa ra thuyết điện tử ánh sáng với những nội dung chính như sau: - ánh sáng được truyền đi dưới dạng sóng. - Sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ, được đặc trưng bởi hai véc tơ là véc tơ cường độ điện trường E và véc tơ cường độ từ trường H. - Tại mỗi điểm mà sóng ánh sáng lan truyền tới, véc tơ E vuông góc với véc tơ H và vuông góc với phương truyền sóng. - Véc tơ E và H biến đổi theo quy luật hình sin E = E0 Cos(t +  ) (1) H = H0 Cos(t +  ) (2) 2. Thuộc tính sóng của ánh sáng 6/3/2014 5 Sóng vô tuyến : Bước sóng  ~ 105 - 10-3 m Hồng ngoại : ” ~ 10-3 - 0,76 m Khả kiến : ” ~ 0,76 - 0,39 m Tử ngoại : ” ~ 0,39 – 10-2 m RơnGhen : ” ~ 10-2 - 10-5 m Gamma : ” < 10-5 m - Căn cứ vào bước sóng ánh sáng người ta cũng chia thang sóng điện tử nói chung thành các dải sóng sau : 6/3/2014 6 Năm 1900, Plank và Anh-xtanh đã chỉ ra rằng : - Năng lượng của ánh sáng (quang năng) được truyền đi một cách gián đoạn, không liên tục tức là trong dòng ánh sáng, có chỗ năng lượng được tập trung lại, những chỗ khác không có gì, Từ quan niệm đó, hai ông đã đưa ra giả thuyết, cho rằng: Dòng ánh sáng là dòng của những "hạt" riêng biệt, những "hạt" này được gọi là lượng tử năng lượng hay Photon. 3. Thuộc tính hạt của ánh sáng, khái niệm lượng tử năng lượng (Photon) 6/3/2014 7 - Mỗi Photon được đặc trưng bởi 3 thông số cơ bản: + Năng lượng  = h  (1) . + Động lượng P = /v = h / v = h/ (2) . + Khối lượng tĩnh m0 = 0 (3) . Biểu thức (1) cho biết: Mỗi photon có một giá trị năng lượng riêng. Biểu thức (2) cho biết: Mối quan hệ giữa thuộc tính sóng và thuộc tính hạt. Biểu thức (3) cho biết: Khái niệm Pho-ton luôn gắn với chuyển động (lan truyền). 6/3/2014 8 HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT QUANG Mục tiêu : • Trình bày được hai hiện tượng: Hấp thụ ánh sáng và phát quang • Vận dụng để giải thích cơ chế thị giác và các ứng dụng trong Y học 6/3/2014 9 Hấp thụ ánh sáng 1. Hiện tượng Xét một môi trường vật chất nào đó. Khi chiếu một chùm photon vào môi trường, giữa chùm photon và các phân tử của môi trường sẽ có sự tương tác qua lại với nhau, kết quả là: + Về phía chùm photon: toàn bộ hoặc một phần năng lượng của nó sẽ bị mất mát vào môi trường tức sau khi ra khỏi môi trường sẽ bị yếu đi hoặc triệt tiêu. + Về phía môi trường vật chất: Các nguyên tử hay phân tử đang từ trạng thái cơ bản sẽ chuyển sang các trạng thái mới có năng lượng lớn hơn gọi là trạng thái kích thích. Quá trình tương tác và trao đổi năng lượng nói trên được gọi là quá trình hấp thụ ánh sáng của môi trường. 6/3/2014 10 2. Tính chất *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc của môi trường. Ví dụ 1 : *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bản chất của chùm ánh sáng tới. Ví dụ 2: *Hiện tượng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp vật chất hấp thụ.Ví dụ 3:  Ta nói sự hấp thụ có tính chất lọc lựa. 6/3/2014 11 Tính chất hấp thụ lọc lựa có thể giải thích cơ chế về màu sắc của các sự vật, hiện tượng xung quanh ta. Ví dụ : - Máu có màu đỏ - Tương tự lá cây có màu xanh - Mặt nước ở trong các ao hồ hoặc ở biển có màu xanh đậm ở những chỗ sâu và nhạt hơn ở những chỗ nông, nước trong ao trông có vẻ đục lờ lờ nhưng khi ta múc một ít vào trong một ống nghiệm nhỏ, ta có cảm giác như trong hơn ... - Ngoài ra chính tính chất hấp thụ lọc lựa là cơ sở cho một loạt các ứng dụng trong y học : Kỹ thuật chụp chiếu Rơnghen, kỹ thuật Laser, liệu pháp xạ trị .... 6/3/2014 12 Định luật hấp thụ ánh sáng Để đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của môi trường vật chất, người ta đã đưa ra khái niệm về hệ số hấp thụ và định luật về sự hấp thụ ánh sáng của các môi trường như sau: Ix = I0 . exp (-x) Định luật này cũng phản ánh một cách tổng quát tính chất hấp thụ lọc lựa mà chúng ta đã trình bày ở trên. 6/3/2014 13 II. HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG. Khi có sự tưong tác giữa chùm Photon và các phân tử môi trường các phân tử sẽ chuyển sang các trạng thái kích thích. Tuy nhiên, trạng thái kích thích là trạng thái không bền,  trở về TTCB  Khi đó nó giải phóng ra phần năng lượng từ các photon truyền cho. Tuỳ thuộc giá trị của lượng năng lượng giải phóng ra đó, mà có thể xảy ra các trường hợp sau: - Nếu năng lượng giải phóng không đủ lớn thì năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng khi đó ta nói hệ phát xạ nhiệt hay toả nhiệt. - Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn (bằng một số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các phôtôn thứ cấp (tức là các hạt ánh sáng). Ta nói: môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang. 6/3/2014 14 Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang • Huỳnh quang: là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian chiếu sáng và chấm dứt ngay khi ngừng chiếu sáng vào môi trường (ví dụ như sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, đèn hình của tivi, máy vi tính...) *Lân quang : là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường ( ví dụ như sự phát quang của một số loại gỗ mục, xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn ...) 6/3/2014 15 III. Sơ đồ mức năng lượng - giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang. So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản. S*: đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet T : đường mức năng lượng ứng với TT KT Triplet s0* s2* s1* s0 T