Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В мутных средах (суспензиях), т. е. средах, где интенсивность света падает не только за счет поглощения, но и за счет рассеяния, измеренная оптическая плотность будет равна Р„„= 13„-ь 13 „,. Зависимость интенсивности рассеяния от длины волны падающего излучения ). имеет вид 1=К) ', Меньшее рассеяние красного света используют в сигнализации: опознавательные огни аэродрома, красный свет светофора и т. д.
ИК-излучение рассеивается еще меньше, что позволяет вести наблюдения в ИК-диапазоне даже при сильном тумане. Зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния О при а ( 0,2), описывается следующей формулой: Рис. 3.4. Прохождение света через мелколислерсную мутную среду 1о — — 1„~2(1-ьсоз О), где К зависит от размеров и формы рассеивающих частиц, от разницы показа- Рис. 3.3. Индикатрисы телей преломления частицы и заклю- рассеяния света части- чающей ее среды и др. Показатель сте- цами квазисферической пени Я изменяется в пределах от 0 до 4 формы с размером 0,1Х в зависимости от размера частиц а.
Ес- ("р"вая 1) 0 ~) (хри вая 2), 2Х (кривая 3) (32) ли а < 0,2Х, то Я = 4 и рассеяние называется рэлеевским, если а — Х, то 5 =2. При увеличении размера частицы распределение света становится асимметричным: основная энергия идет в направлении падающего света. На частицах, значительно больших )с, свет не рассеивается, а преломляется и отражается по законам оптики (рис. 3.3).
Рассеяние света в мутных средах (дым, туман, взвеси, эмульсии) на частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны 7, называется явлением Тиндаля. Пусть свет падает на среду вдоль оси х. При прохождении света через мелкодисперсную мутную среду в рассеянном свете (направление А на рис. 3.4) преобладает коротковолновый (сине-голубой) свет, а в проходящем (направление Б) — длинноволновый (желто-красный). Этим объясняется голубой цвет неба и желто-красный цвет заходящего и восходящего Солнца. Л 86 87 Колебательная льиая ия Ре пия 89 88 где 1О,1 )2 — интенсивность света, рассеянного под углами О и и12 к направлению первичного пучка света. Если размер частиц а больше длины волны падающего света, то наблюдается эффект Ми: интенсивность рассеяния света вперед (в направлении О < и12) больше, чем назад.
Интенсивность 1 про- порциональна 11), 5 < 4, и убывает с ростом а. При а» )ь спектральные составы рассеянного и падающего света практически совпадают. Этим объясняется белый цвет облаков. 3.2. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ СИНГЛЕТНЫМИ И ТРИПЛЕТНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ МОЛЕКУЛЫ После поглощения кванта энергии атом или молекула оказываются в возбужденном состоянии, в котором не могут находиться вечно из-за его неравновесности. Энергия неминуемо будет потеряна. На диаграмме Яблонского )рис. 3.5) показаны переходы, возможные между уровнями энергии с одинаковой и разной мультиплетностью. Рис.
3.5. Диаграмма Яблонского: уе и 5, — состояния одинаковой мультиплетлости: 5о — основное состояние, 5, — самый нижний колебательиый подуровень, соответствуюгдий термически равновесному состояиилх Т! — возбуждеииое триплетиое состояиие; 5 и Т вЂ” состояния разной мультиплетиости Время, в течение которого проходит тот или иной процесс (т. е. время, в течение которого молекула находится в состоянии с данной энергией), называется временем жизни уровня или процесса. Время жизни процессов, указанных на рис.
3.5, следующее: по— !5 -11 — 13 глошение — 10 с; внутренняя конверсия — 1О ... 10 с; ин-)о теркомбинационная конверсия (ИКК) — 10 с; флуоресценция— 1О ... 10 с; фосфоресценция — 10 ... 10 с; колебательная релак- -3 2 сация — 10 ...1О с. -)2 -11 Внутренняя конверсия и интеркомбинационная конверсия (см. В2) — безызлучательные процессы, во время которых электронная энергия молекулы переходит в колебательную (тепловую). Внутренняя конверсия возможна только между уровнями одинаковой мультиплетности, а ИКК вЂ” только между уровнями разной мультиплетности.
Флуоресценция — излучательный процесс между состояниями одинаковой мультиплетности. Между спектрами поглощения и спектрами испускания для простых молекул обычно существует зеркальное соответствие )рис. 3.6). Рис. 3.6. Зеркальное соответствие между спектрами поглоще- ния и спектрами испускания для простых молекул.' ! — поглогдеиие; 2 — флуореспенпия Фосфоресценция — излучательный переход между состояниями различной мультиплетности.
Поскольку время жизни фосфоресценции составляет от 10 3 с до нескольких минут, триплетные состояния часто играют центральную роль в органической фотохимии, так как имеют более высокую вероятность вступить в фотохимическую реакцию. Кванты излучения фосфоресценции имеют, как правило, меньшую энергию (а следовательно, большую длину волны), чем флуоресценции. Флуоресценция и фосфоресценция имеют различнос происхождение (излучательный переход с различных по мультиплетности уровней), энергию, длину волны, а также время жизни.
3.3. ПОНЯТИЕ О ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ К фотобиологическим относятся процессы, начинающиеся с поглощения света одним из биологически важных соединений и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Излучения, охватывающие видимую и УФ-части спектра, особенно эффективно индуцируют химические реакции. Такие химические реакции молекул, возбуждаемых оптическим излучением, называются фотохимическими.
Они являются основой фотобиологических процессов. Выделяют два типа реакций: 1) протекающие только под действием света; 2) усиливающиеся под действием света (коэффициент усиления может составлять 10 ... 10 ). Вторичные реакции протекают без участия светового воздействия, например загар. При поглощении кванта света может происходить множество физических и химических явлений, при которых энергия кванта рассеивается. Квантовый выход реакции т) показывает, какая часть молекул, поглотивших свет, вступила в реакцию: з) <1. В Р цепных реакциях т1 =1 (взрывной характер).
Сумма всех первичных квантовых выходов должна равняться единице: ~ т) =1. В Р' ! определенном спектральном диапазоне т) =сопз1, т. е. квантовый Р выход не зависит от длины волны поглощаемого света. Вещества, участвующие в поглощении света и играющие доминирующую роль в фотопроцессах, называются пигментами. В свою очередь, части молекул с сопряженными двойными связями, способные поглощать свет, называются хромофорами. Классификация пигментов: 1) пигменты, участвующие в прямых (первичных) фотохимических реакциях, например зрительный пигмент родопсин, регуляторный пигмент фитохром; 2) пигменты, имеющие косвенную связь с фотобиологическими процессами, например гемоглобин, миоглобин, каталаза, цитохром.
Они являются фотоакцепторами. Гемоглобин имеет различные полосы поглощения. Его взаимодействие с квантом 90 красного света вызывает активацию оксидантных систем с последующим изменением структуры белков, что ведет к изменению синтетической активности клетки; 3)пигменты, выполняющие функции экранирования светочувствительных клеток, например меланин, который предохраняет ткани от действия излучения с длиной волны менее 1200 нм; 4) морфоприспособительные (у растений и животных).
Количество молекул, вступивших в фотохимическую реакцию, определяется соотношением, аналогичным закону Бугера — Ламберта — Бера (см. 2.1), )п(п(! Ло) — — 7)р [1(1) ! Ьч)о1, где и, — концентрация молекул в момент времени ц ло — начальная концентрация биомолекул; т) — квантовый выход реакции; 2 2 1(~) = (Вт/см ); о — сечение поглощения, см; (з) о) — сечение фо- Р тохимической реакции; 1(~) г = 2) б — доза облучения. Введем функцию 1(~) (У = — — число поглощенных квантов), определяющую скорость М возникновения молекул данного вида под действием света в пересчете на единичный квант. Такая функция называется спектром действия.
Если считать, что ӄ— это число не просто молекул, а биомолекул, выделяемых в 1 с, то можно использовать термин «спектр биологического действия». Спектром биологического действия называется зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света. Этот спектр позволяет выяснить, какая длина волны наиболее эффективно вызывает данный фотобиологический процесс, какое вещество является акцептором квантов света в данном биологическом процессе. Спектр биологического действия определяется коэффициентом поглощения тех компонентов, которые присутствуют в среде (так как ц = сопз1), и Р имеет тот же вид, что и спектр поглощения данного раствора. Спектр биологического действия зависит не только от поглощения, но и от квантовой эффективности данного процесса, поэтому для определения спектра биологического действия необходимо 91 знать, какой именно процесс рассматривается.
В практических случаях именно выяснение основного механизма действия излучения на биообъект представляет основную трудность. 3.4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФОТОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Рассмотрим диссипацию (рассеянне) энергии возбуждения атомов и молекул. После поглощения фотона молекула переходит в возбужденное состояние, и поскольку она не находится в равновесии с окружающей средой, время ее жизни мало. К последующей потере энергии молекулы приводят различные процессы (см.
3.2). Существует три канала распределения энергии при переходе молекулы из возбужденного состояния в основное (см. рис, 3.5); !) А -+ ФА — фотореакция; 2) А -+ А ь теплота — переход в исходное состояние; 3) А -+ А -~ радиация — излучение. Если в результате потери энергии образовался химически различимый продукт, то процесс является фотохимическим, в иных случаях — фотофизическим. Фотохимические процессы — образование свободных радикалов, циклизация, внутримолекулярные перегруппировки и др, Фотофизические процессы — конверсия энергии излучения в тепловую энергию, переходы между состояниями, перенос энергии, излучательная диссипация.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
