Инфракрасное излучение

Содержание

Приёмники инфракрасного излучения

основаны на преобразовании энергии излучения в др. виды энергии, доступные для измерения. В тепловых приёмниках поглощённое И. вызывает повышение темп-ры термочувствительного элемента, которое и регистрируется. В фотоэлектрич. приёмниках поглощение И. приводит к появлению или изменению силы электрич. тока или напряжения. Фотоэлектрич. приёмники (в отличие от тепловых) селективны, т. чувствительны лишь к излучению определённой области спектра. Фоторегистрация И. осуществляется с помощью спец. фотоэмульсий, однако они чувствительны к нему только для длин волн до 1,2 мкм.

Применение инфракрасного излучения

ИК-излучение широко применяют в науч. исследованиях и для решения разл. практич. задач. Спектры испускания и поглощения молекул и твёрдых тел лежат в ИК-области, их изучают в инфракрасной спектроскопии, в структурных задачах, а также используют в качественном и количественном спектральном анализе. Вдалёкой ИК-области лежит излучение, возникающее при переходах между зеемановскими подуровнями атомов, ИК-спектры атомов позволяют изучать структуру их электронных оболочек. Фотографии одного и того же объекта, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, вследствие различия коэффициентов отражения, пропускания и рассеяния могут значительно различаться; на ИК-фотографии можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии.

В промышленности И. используют для сушки и нагрева материалов и изделий, в быту – для обогрева помещений. На основе фотокатодов, чувствительных к И. , созданы электронно-оптич. преобразователи, в которых не видимое глазом ИК-изображение объекта преобразуется в видимое. На основе таких преобразователей построены разл. ночного видения приборы (бинокли, прицелы и т. ), позволяющие в полной темноте обнаруживать объекты, вести наблюдение и прицеливание, облучая их И. от спец. источников. При помощи высокочувствительных приёмников И. осуществляют теплопеленгацию объектов по их собственному И. и создают системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК-локаторы и ИК-дальномеры позволяют обнаруживать в темноте предметы, темп-ра которых выше темп-ры окружающей среды, и измерять расстояния до них. Мощное излучение ИК-лазеров используют в науч. исследованиях, а также для осуществления наземной и космич. связи, для лазерного зондирования атмосферы и т. используется для воспроизведения эталона метра.

Виды излучений и спектры

Вещества, излучают получив энергию от внешних источников. Различают тепловое излучение, которое связано с изменением внутренней энергией вещества, и люминисценцию. Люминисценция – это холодное послесвечение. По длительности свечения все виды люминесценции разделили на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция – это свечение, мгновенно затухающее после прекращения возбуждения атомов в течение до

Виды люминесценции различают по способу возбуждения люминофора:

катодолюминесценция, люминофор возбуждается под действием ударов электронов, сформированных в пучок;
электролюминесценция, люминофор возбуждается под действием постоянного и переменного электрического поля;
фотолюминесценция, люминофор возбуждается видимым светом (наблюдается самостоятельное длительное послесвечение), ультрафиолетовыми (наблюдается флуоресценция в видимом диапазоне) или инфракрасными лучами (наблюдается фотолюминесцентное свечение в видимом диапазоне);
хемилюминесценция, люминофор возбуждается в результате химической реакции с выделением энергии.

Биолюминесценция получила свое название не по виду возбуждения, а по самим светящимся объектам. Причина свечения может быть разной. Некоторые типы бактерий светятся за счет хемилюминесценции, отдельные классы обладают фотолюминесценцией, светятся при облучении ультрафиолетовыми лучами.

Исследование излучений различных источников

Ни один из источников не дает монохроматического света, имеющего строго определенную длину волны. Доказательством сказанного утверждения являются опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции. Та энергия, которую несет с собой свет, распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка или по частотам, так как скорость света определяется как произведение длины световой волны на частоту излучения. Для исследования излучений используют спектральные аппараты.

Интересно знать! Основные направления практического использования явления люминесценции и люминофоров различного вида.

Люминесцентные источники света.
Индикация различного рода излучений: жидкокристаллические экраны и кинескопы.
Использование люминесцирующих добавок в методах неразрушающего контроля в металлургии.
Изготовление фотолюминесцентных элементов безопасности.
Производство фотолюминесцентных декоративных красящих составов и композиций.
Производство новых сверхточных измерительных приборов.

Спектральные аппараты

Основными элементами спектроскопа являются: коллиматор – 1, зрительная труба – 2, окуляр – 5, треугольная призма – 3 (рис. 195). В коллиматоре имеется щель – 4, через которую проходит свет от исследуемого источника излучения.

Через щель коллиматорной трубы, расположенной в фокусе линзы лучи света падают расходящимся пучком на линзу, преломившись, параллельным пучком попадают на боковую грань призмы P (рис. 196). Дважды преломившись в призме, пучок света разлагается на параллельные пучки света разного цвета. Объектив зрительной трубы фокусирует каждый из параллельных пучков в отдельной точке фокальной плоскости, разноцветные изображения щели образуют спектр (рис. 197). Спектр наблюдают через окуляр зрительной трубы, как через лупу. Для получения снимка фоточувствительную пленку или пластину размещают в фокальной плоскости объектива зрительной трубы, прибор в этом случае называют спектрографом.

Спектроскоп – это прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров.

Спектрограф – прибор для разложения сложного света и фотографирование спектров.

Виды спектров

Белый свет при прохождении сквозь призму разлагается в спектр, состоящий из всех цветов радуги от красного до фиолетового цвета, между ними нет разрывов: красный цвет переходит в оранжевый, оранжевый в желтый и т. (рис. 198).

Такую полосу называют непрерывным или сплошным спектром. Источниками белого света являются раскаленные твердые тела, нагретые жидкости и сжатые газы.

При низком давлении нагретый газ в атомарном состоянии и пары различных химических элементов могут светиться, излучая электромагнитные волны видимого диапазона. Спектр излучения разреженного газа отличается от непрерывного спектра, в нем наблюдается только несколько цветных линий (рис. 199). Так, например, раскаленные пары натрия испускают в видимом диапазоне две узкие желтые линии, практически сливающиеся в одну; атомы водорода – четыре линии: красную, зеленую, синюю и фиолетовую. Исследования показали, что разряженные пары всех химических элементов излучают свет, в спектре которых присутствуют отдельные линии, характерные только для этого элемента, поэтому спектр разряженных атомарных газов или паров называют линейчатым спектром.

Линейчатые спектры – это оптические спектры испускания и поглощения атомов, состоящие из отдельных спектральных линий.

Линейчатыми спектрами являются спектры разреженных газов, звездных атмосфер, туманностей.

Австрийский ученый И. Фраунгофер при наблюдении солнечного спектра с помощью спектроскопа обнаружил, что в действительности он не является непрерывным (рис. 200). Солнечный спектр пересекают темные линии, которые позже получили название «фраунгоферовые». Немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен нашли ключ к объяснению этих линий в солнечном спектре. Экспериментально ими было установлено, что линейчатые спектры, испускаемые атомами нагретых паров различных веществ, совпадают с их спектрами поглощения в холодном состоянии. Фраунгоферовые линии в спектре излучения Солнца являются спектром поглощения атмосферы Солнца, поскольку температура атмосферы ниже, чем температура самого Солнца.

Обратите внимание! Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение.

Спектральный анализ

Открытие Г. Кирхгофа и Р. Бунзена позволило определить состав атмосферы Солнца. В1859 г. учеными был разработан метод спектрального анализа химического состава вещества. Знание о расположении спектральных линий, характерных для атома данного химического элемента, позволяет определить состав исследуемого вещества, как по спектру излучения, так и по спектру поглощения. Сравнение спектров излучения всех известных элементов с фраунгоферовыми линиями солнечного спектра показало, что многие элементы, обнаруженные в атмосфере Солнца, имеются на Земле. Однако в спектре оставались линии, которые исследователям не были известны, новое вещество было названо гелием (от греч. helios – Солнце). Приблизительно через четверть века этот газ был обнаружен на Земле. Метод спектрального анализа по сей день широко используется в исследовательских лабораториях.

Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны невидимой части спектра электромагнитных волн, расположенные между видимым красным светом и микроволновым излучением. Диапазон частот инфракрасного излучения составляет от диапазон длин волн от 2 мм до 740 нм. Инфракрасное излучение условно делят на три области: ближняя: средняя: дальняя: Ближняя область граничит с видимым излучением.

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. английским астрономом У. Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, Солнца, его испускают возбуждённые атомы или ионы вещества. Излучение называют тепловым, так как воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При поглощении энергия движения частиц вещества возрастает, увеличивается температура тел.

Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) – это электромагнитные волны, которые занимают спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Интервал длин волн ультрафиолетового излучения составляет от 10 нм до 400 нм, частотный диапазон от Биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны: ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315–400 нм); средний ультрафиолет УФ-B лучи (UVB, 280–315 нм); дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100–280 нм). Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет УФ-A , остальной диапазон практически полностью поглощается атмосферой.

Ультрафиолетовое излучение поглощается веществом, меняя его химический состав, оно обладает высокой химической активностью. Под действием УФ-излучения разрушаются термопластики: оргстекло, полиэтилен. В результате облучения ультрафиолетовыми лучами погибают микроорганизмы, так как они теряют способность воспроизводства. УФ-излучение хорошо поглощается стеклом.

Интересно знать! Инфракрасное излучение в природе и жизни человека

ИК-лазеры используются в качестве источников света в оптоволоконных системах связи.
Инфракрасное излучение используется в спектроскопии для определения структур и составов органических соединений. Технология основана на свойствах веществ поглощать определенные частоты, которые зависят от растяжения и изгиба внутри молекул образца.

Интересно знать! Ультрафиолетовое излучение в природе и жизни человека

Для защиты документов от подделки их снабжают люминесцентными метками, которые видны при ультрафиолетовом освещении.
УФ-лампы используются для дезинфекции помещений (рис. 203), воды, воздуха и различных поверхностей.
Отреставрированные участки картин и кустарно переписанные подписи проступают более темными пятнами в ультрафиолетовых лучах.
УФ-излучение используют в биотехнологии для получения генной мутации, селекции новых растений.

Рентгеновские лучи

В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген случайно обнаружил рентгеновские лучи, изучая свойства катодных лучей между электродами газоразрядной трубки при низком давлении и высоком напряжении. Рентген обратил внимание на то, что флуоресцентный экран, находящийся вблизи трубки, светился. Трубка оказалась источником излучения, способного проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра. Рентген решил, что газоразрядная трубка является источником нового вида излучения.

Исследования показали, что рентгеновские лучи занимают спектральную область между ультрафиолетовым и гамма-излучением в пределах длин волн нм − 100 нм, что соответствует излучению с частотой от В шкале длин волн нет общепризнанного определения нижней и верхней границы диапазона рентгеновских лучей, жесткое ультрафиолетовое излучение можно рассматривать как мягкое рентгеновское. Длину волны мягкого рентгеновского излучения условно принимают большим, чем 0,2 нм, а жесткого рентгеновского излучения меньше, чем 0,2 нм. Фотоны жесткого высокочастотного рентгеновского излучения обладают наибольшей проникающей способностью.

Жесткие лучи представляют собой полноценную ионизирующую радиацию, способную привести к лучевой болезни. Излучение может разрывать молекулы белков, из которых состоят ткани человеческого тела, а также молекулы ДНК генома, они обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Лучи обладают высокой проникающей способностью. Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой.

Тормозное рентгеновское излучение определяется разностью потенциалов между электродами рентгеновской трубки. Работа поля по перемещению электронов превращается в кинетическую энергию движущихся электронов, затем при столкновении с анодом – в энергию фотонов рентгеновского излучения:

Максимальная частота фотонов рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящих электронов, которая определяется разностью потенциалов в рентгеновской трубке:

Вспомните! Источник рентгеновского излучения представляет собой трубку с катодом и анодом, в которой создан вакуум. Напряжение между ними составляет десятки-сотни киловольт. Электроны вырываются с катода и сталкиваются с анодом. Возникающее при этом рентгеновское излучение называется «тормозным». Одновременно создается характеристическое излучение, зависящее от материала анода (рис. 204).

Шкала электромагнитных колебаний

На рисунке 205 изображена шкала электромагнитных волн с указанием длин волн и частот различных излучений. Длина электромагнитных волн изменяется в широком диапазоне: от Принято выделять: низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, излучение. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. В вакууме электромагнитное излучение любой длины волны распространяется со скоростью 300000 км/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны. Излучения различных длин волн отличаются друг от друга по способам их получения и методам регистрации. Существенные различия наблюдаются при взаимодействии с веществом: коэффициенты поглощения и отражения зависят от длины волны.

Коротковолновые излучения: рентгеновское и лучи поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений.

Рентгеновское излучение в природе и жизни человека:

Излучение используется в медицине для диагностики посредством флюорографии и рентгенографии, также для лучевой терапии.
В аэропортах и железнодорожных вокзалах применяется рентгеновское излучение для просмотра содержимого ручной клади и багажа.
Метод рентгеновской дефектоскопии позволяет выявить микротрещины в изделиях, например, в рельсах или сварочных швах различных конструкций.
Дифракционное рассеяние излучения получило применение для выяснения структуры веществ в материаловедении, кристаллографии, химии, биохимии. Дифракционные картины, полученные в результате рассеяния рентгеновских лучей на кристаллах, были названы лауэграммами, в честь немецкого физика Макса фон Лауэ, предложившего в 1912 г. данный метод исследования (рис. 206), а сам метод − рентгеноструктурным анализом.

Определите скорость электронов, падающих на анод рентгеновской трубки, если минимальная длина волны в спектре рентгеновского излучения равна 1 нм.

СИ 10–9 м

Решение: На основании закона сохранения энергии или откуда

Тепловое излучение равновесное излучение

При тепловом излучении энергия внутренних хаотических тепловых движений частиц непрерывно переходит в энергию испускаемого электромагнитного излучения.

Тепловым излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счет их внутренней энергии.

Если излучающее тело окружить оболочкой с идеально отражающей поверхностью, то через некоторое время эта система придет в состояние теплового равновесия. Поглощенное телом количество теплоты станет равным количеству теплоты, переданному окружающей среде.

Равновесным тепловым излучением называют излучение, при котором расход энергии тела на излучение компенсируется энергией поглощенного им излучения для каждой длины волны. Из всех видов излучения только тепловое излучение может быть равновесным.

В обычных условиях при комнатной температуре тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн.

Возьмите на заметку

Для сферического источника света

Вспомните! Интенсивность электромагнитной волны (§ 14):

Величины, характеризующие тепловое излучение

Тепловое излучение характеризуется такими величинами, как энергетическая светимость, спектральная плотность (испускательная способность тела), поглощательная способность тела, поток излучения.

Энергетическая светимость тела RТ – это физическая величина, равная отношению энергии W, излучаемой с единицы поверхности тела температурой Т по всем направлениям во всем диапазоне частот, ко времени излучения:

Единица измерения энергетической светимости тела

Спектральная плотность энергетической светимости или испускатель-ная способность тела при температуре Т — это физическая величина, равная отношению энергетической светимости, взятой в интервале частот , к величине этого интервала:

Спектральная плотность энергетической светимости тела зависит от частоты излучения и температуры тела. Единица ее измерения

Сумма испускательной способности нагретого тела в диапазоне всех частот является энергетической светимостью тела.

Поглощательная способность тела это — физическая величина, равная отношению поглощаемого телом потока излучения в интервале частот к падающему на него потоку в том же интервале

Поток излучения Ф – это физическая величина, равная отношению энергии W, переносимой электромагнитным излучением через поверхность, перпендикулярную направлению излучения площадью S к времени ее переноса t:

Из формул (1) и (4) следует, что поток излучения связан с энергетической светимостью тела соотношением:

Абсолютно черное тело

Тело, для которого поглощательная способность равна единице во всем диапазоне частот для любой температуры, называют абсолютно черным телом (АЧТ).

Тело, для которого поглощательная способность меньше единицы во всем диапазоне длин волн, называют серым.

Моделью абсолютно черного тела является замкнутая непрозрачная полость с небольшим отверстием. Поскольку вероятность того, что попавшее в отверстие излучение в результате многочисленных отражений выйдет наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается (рис. 207). Излучение, возникшее в полости и исходящее из отверстия, считается эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности черного тела.

Исследования излучения абсолютно черного тела привели к открытию законов Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина.

Законы излучения абсолютно черного тела

В середине XIX в. Кирхгоф установил один из основных законов теплового излучения, согласно которому отношение испускательной способности к поглощательной способности всех тел равно испускательной способности абсолютно черного тела, являясь функцией частоты и температуры Т:

Закон Стефана – Больцмана:

В 1879 г. австрийский физик И. Стефан на основе проведенных опытов пришел к выводу, что энергетическая светимость тел пропорциональна четвертой степени температуры Т:

Больцман в 1884 г. пришел к такому же выводу теоретически на основании законов термодинамики. Поскольку он обосновал и уточнил результат, полученный И. Стефаном экспериментально, закон был назван по фамилиям ученых законом Стефана − Больцмана, также называется и постоянная, она равна:

Закон Стефана – Больцмана определяет полную энергию спектра излучения, но он не рассматривает вопрос о распределении энергии в спектре излучения.

Немецкий физик В. Вин в 1896 г. установил, что максимум излучения в спектре абсолютно черного тела с увеличением температуры смещается в сторону высоких частот:

так как между частотой и длиной волны существует соотношение то закон смещения Вина можно записать в виде:

где постоянная Вина.

Законы Стефана – Больцмана и Вина не могли объяснить резкое падение интенсивности излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Это явление физики назвали «ультрафиолетовой катастрофой».

Немецкий ученый Макс Планк моделировал вещество набором резонаторов, испускающих и поглощающих излучение частоты n. Он предположил, что каждый резонатор может обладать только таким количеством энергии, в котором содержится целое число элементарных порций энергии:

где − постоянная Планка.

Сущность гипотезы Планка заключалась в том, что испускание электромагнитной энергии атомами и молекулами происходит не непрерывно, а дискретно − порциями, или «квантами», как несколько позже предложил называть их Планк. Падение интенсивности излучения объяснялось отсутствием в веществе резонаторов с частотой ультрафиолетового излучения.

Интересно знать! Практическое применение законов теплового излучения Формула Планка и закон Вина поясняет, почему КПД ламп накаливания очень мал. При температуре накала вольфрамовой нити максимум излучения лежит в области инфракрасного излучения, на видимую часть спектра приходится около 5 % от полного излучения (рис. 209). В современных светодиодных лампах максимум энергии лежит в области видимого излучения. Свечение светодиодной лампы – это пример «холодного свечения» – люминесценции.

Какое количество энергии излучает Солнце за 1 мин? Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела. Температуру поверхности Солнца принять равной 5800 K. Радиус Солнца примите равным 695510 км.

t = 1 мин

T = 5800 К

СИ 60 c

69551 · 104 м

Ответ: W = 2,34 · 1028 Дж.

Компьютерная рентгеновская томография

Компьютерная томография – метод рентгенодиагностики, который основан на измерении и компьютерной обработке ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями.

Аппарат первого поколения появился в 1973 г. , компьютерный томограф состоял из специальной рентгеновской трубки, прикрепленной к цилиндрической раме. На пациента, находящегося в центре рамы, направлялся тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора крепились к противоположной стороне рамы, которая могла вращаться на 180° вокруг тела человека. Детекторы получали и записывали показатели поглощения различных тканей. Записи с использованием томографа первого поколения делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 10°, и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 180°. Каждый детектор в течение исследования записывает 28 800 кадров. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.

Второе поколение компьютерных томографов использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд.

В третьем поколении компьютерных томографов используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5–6 секунд.

Четвертое поколение имеет 1088 люминесцентных датчиков, расположенных по всему кольцу аппарата, вращается только рентгеновская трубка. Благодаря этому методу время вращения сократилось до 0,7 секунд. Существенного отличия в качестве изображений с компьютерными томографами третьего поколения они не имеют.

Интересно знать! Метод исследования внутренней структуры объекта предложили в 1972 г. британский инженер-электрик Годфри Хаунсфилд и южноафриканский физик Аллан Кормак, за что в 1979 г. они были удостоены Нобелевской премии.

Современные методы компьютерной томографии

1) Спиральная компьютерная томография (КТ). Спиральная КТ используется в клинической практике с 1988 года, когда компания Siemens Medical Solutions представила первый спиральный компьютерный томограф. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения рентгеновской трубки вокруг тела пациента и непрерывного поступательного движения стола вдоль продольной оси сканирования (рис. 221). В этом случае траектория движения рентгеновской трубки относительно направления движения стола с телом пациента, примет форму спирали.

2) Многослойная компьютерная томография (МСКТ). Томографы для МСКТ была впервые представлена компанией Израиля Elscint в 1992 г. Принципиальное отличие томографов в том, что рентгеновское излучение одновременно принимается детекторами, расположенными по окружности гентри в два и более ряда. В 1992 г. появились первые двухсрезовые томографы с двумя рядами детекторов, а в 1998 г. четырехсрезовые, с четырьмя рядами детекторов соответственно (рис. 222).

Четырехспиральные томографы пятого поколения на сегодняшний день в 8 раз быстрее, чем обычные спиральные компьютерные томографы четвертого поколения. В 2004–2005 гг. были представлены 32-, 64- и 128-срезовые многослойные томографы, в том числе с двумя рентгеновскими трубками. Впервые представленные в 2007 году компанией Toshiba 320-срезовые компьютерные томографы являются новым витком эволюции рентгеновской компьютерной томографии. Они позволяют не только получать изображения, но и дают возможность наблюдать физиологические процессы, происходящие в головном мозге и в сердце.

Принцип действия и преимущества МРТ как метода диагностики

Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный томограф. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография.

В основе диагностики лежит способность атомов водорода реагировать на внешнее магнитное поле: протоны в ядрах водорода меняют направление вращения. При отсутствии внешнего магнитного поля протоны вновь принимают исходное состояние. Явление сопровождается выделением энергии, которую фиксирует специальная система. Полученные данные обрабатываются компьютерной программой, результатом становятся снимки, на которых исследуемые ткани хорошо видны в нескольких разрезах и в разных плоскостях.

Обнаружено, что отклик на воздействие магнитного поля длится дольше у раковых клеток. Они содержат больше воды, следовательно, больше ядер водорода.

МРТ изображение – это компьютеризированное изображение радиосигналов, излучаемых человеческим телом. На рисунке 223 представлены изображения, полученные на экране компьютера МРТ.

МРТ превосходит по своим возможностям компьютерную томографию, так как не используется ионизирующее излучение как при КТ. Его принцип работы основан на использовании безвредных электромагнитных волн.

В настоящее время МРТ стала отдельной областью медицины, без которой сложно представить себе диагностику. Он разрешает обнаружить на самых ранних этапах развития тяжелые заболевания и патологии: новообразования, нарушения сосудов, функций сердца, мозга, внутренних структур организма, изменения позвонков, межпозвоночные грыжи, остеохондроз, переломы, другие травмы, воспалительные и инфекционные процессы. Помимо этого, томография позволяет визуализировать структуру органов и тканей, измерять скорость тока спинномозговой жидкости, крови, оценивать уровень диффузии в тканях, определять активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает этот участок коры.

Своевременность и точность диагностики делает магнитно-резонансную томографию незаменимой и эффективной для назначения лечения, скорейшего выздоровления.

Интересно знать! Из истории развития магнитно-резонансной томографии (МРТ).

В 1973 г. ученый из США Пол Лотербур изобрел магнитно-резонансный томограф. В 1977 г. в течение почти 5 часов было проведено первое сканирование человеческого тела. В 1978 г. были проведены первые сканы пациента с раком груди. В 1980 г. было получено изображение организма человека, на съемку которого потратили около 5 минут. В 1986 г. длительность отображения было уменьшена до 5 секунд без потери качества изображений. В 1988 г. Думоулин усовершенствовал метод МРТ-ангиографии, который показывал отображение кровотока без применения рентгеноконтрастных средств. В 1989 г. был представлен метод планарной томографии, который применялся для визуализации участков головного мозга, ответственных за двигательную и мыслительную функции.

Мощность магнитного поля и факторы, влияющие на качество изображения

Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются электромагниты, магнитная индукция созданного ими поля достигает от 1 Тл до 3 Тл. Магнитная индукция поля постоянных магнитов достигает до 0,7 Тл.

На оборудовании МРТ ниже 1 Тесла нельзя качественно сделать томографию внутренних органов и малого таза, так как мощность таких аппаратов слишком низкая. На низкопольных аппаратах МРТ, напряженностью менее 1 Тесла, можно проводить только исследования головы, позвоночника и суставов с получением снимков обычного качества.

Постоянные магниты позволяют создать МРТ не только туннельного – закрытого типа, но и открытого типа, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования. Появились аппараты для проведения исследований пациента в вертикальном положении или сидя.

Качество МРТ зависит не только от напряженности поля, но и от опыта специалиста, оценивающего полученное изображение и способного определить наличие патологии, от использования контраста, от параметров исследования. В качестве контраста при МРТ исследованиях используется гадолиний.

Запомните! Магнитно-резонансная томография – это метод исследования внутренних органов и тканей человека с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса. Метод основан на измерении электромагнитного отклика атомных ядер, возбужденных электромагнитным полем в постоянном магнитном поле высокой напряженности.

Интересно знать! МРТ для животных значительно дороже, чем для людей. Это связано с необходимостью применения общей анестезии для животных (рис. 224). Одно исследование у человека занимает около 15 минут, у животного – 40–60 мин. Количество ветеринарных томографов и врачей, способных расшифровать МР-томограммы, пока очень невелико.

Свет — это электромагнитные волны и не только

Электромагнитное излучение — один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, — все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.

Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны — это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение — это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн — колеблющееся магнитное поле; другой — колеблющееся электрическое поле.

Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y — амплитуда, а ось X — расстояние в пространстве.

Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.

Электромагнитный спектр световых волн

Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.

Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны — самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.

Как мы видим, видимый спектр, то есть свет, который мы можем видеть своими глазами, составляет лишь небольшую часть различных типов излучения, которые существуют. Справа от видимого спектра мы находим типы энергии, которые имеют более низкую частоту (и, следовательно, большую длину волны), чем видимый свет. Эти типы энергии включают инфракрасные (ИК) лучи (тепловые волны, излучаемые тепловыми телами), микроволны и радиоволны. Эти типы излучения постоянно окружают нас и не являются вредными, потому что их частота очень мала. Как мы увидим в разделе «фотон», более низкочастотные волны имеют меньшую энергию и, следовательно, не опасны для нашего здоровья.

Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.

Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.

Двойственная природа света, история в деталях

Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела — тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.

Двумерное представление волны. Амплитуда — это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны — это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.

Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.

Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.

Планк обнаружил, что электромагнитное излучение, испускаемое черными телами, нельзя объяснить классической физикой, которая постулировала, что материя может поглощать или излучать любое количество электромагнитного излучения. Планк заметил, что вещество фактически поглощает или излучает энергию только в целых числах. Это было шокирующее открытие, потому что оно поставило под сомнение идею о том, что энергия непрерывна и может передаваться в любом количестве. Реальность, которую обнаружил Планк, заключается в том, что энергия не является непрерывной, а квантованной, что означает, что она может передаваться только отдельными «пакетами» (или частицами). Каждый из этих энергетических пакетов известен как квант (множественное число: кванты).

Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.

Фотон

Открытия Планка проложили путь к открытию фотона. Фотон — это элементарная частица или квант света. Как мы скоро увидим, фотоны могут поглощаться или испускаться атомами и молекулами. Когда фотон поглощается, его энергия передается этому атому или молекуле. Поскольку энергия квантуется, передается вся энергия фотона (помните, что мы не можем передавать доли квантов, которые являются наименьшими возможными отдельными «энергетическими пакетами»). Верно и обратное этому процессу. Когда атом или молекула теряют энергию, они испускают фотон, который несет энергию, точно равную потерям энергии атома или молекулы. Это изменение энергии прямо пропорционально частоте испускаемого или поглощаемого фотона.

Использование ИК-излучения особенно благоприятно воздействует на иммунную систему детей, на здоровье престарелых и лиц с ослабленным здоровьем. ИК лучи эффективно устраняют воспаления, при простудных заболеваниях подавляется размножение болезнетворных бактерий не только в организме человека, но и в окружающей атмосфере. ИК-излучение имеет хороший косметический эффект — улучшается циркуляция крови в кожном покрове, вследствие чего улучшается цвет лица, разглаживаются морщины, кожа выглядит моложе. Применение ИК-отопления способствует оздоровлению ряда заболеваний кожи (псориаз, аллергия, нейродермит и т. ), заживлению ран, порезов. При ионизации воздушного пространства ИК излучением, такое заболевание, как аллергия на пыль, идет на убыль. Длинноволновое ИК-излучение абсолютно безопасно, оказывает мягкое оздоровительное воздействие на организм здоровых людей.