Оптические излучения в биологии

Оптикой (греч. оптос – видимый, зримый) называют раздел физики, в котором изучают природу света, процессы его распространения и явления, происходящие при взаимодействии света с веществом. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимого света, но в настоящее время она рассматривает также свойства невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных излучений.

В 60-х годах XIX в. английский ученый Д. К. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, из которой следовало, что оптическое излучение имеет электромагнитную природу. Экспериментальная проверка подтвердила теорию Максвелла. Оказалось, например, что скорость электромагнитных волн совпадает со скоростью света (по современным данным скорость света в вакууме с = 299 792 456, 2 м/с»3·10⁸ м/с), показатель преломления вещества для световых и электромагнитных волн определяется величинами его электрических и магнитных проницаемостей () и т. п. Особое значение для подтверждения электромагнитной теории света имели опыты П. Н. Лебедева (1899), который показал, что измеренное им световое давление на вещество совпадает с вычисленным по теории Максвелла. Электромагнитная теория света подтверждает диалектическое единство между электромагнитными излучениями с разными длинами волн и убедительно демонстрирует один из основных законов диалектики, утверждающий, что количественные изменения ведут к коренным, качественным, изменениям, поскольку при переходе от длинных электромагнитных волн к коротким существенно изменяются их свойства. В соответствии со свойствами, а также с методами получения (электромагнитные генераторы, нагретые тела, рентгеновские трубки и пр.) электромагнитные излучения подразделяют на несколько диапазонов, границы которых условны и перекрываются. Диапазон с длинами волн от 10 нм до 400 мкм называют оптическим. Он граничит с одной стороны с рентгеновскими лучами, а с другой стороны с микроволновым радиоизлучением. Ощущение света вызывает излучение с длинами волн от 380 до 760 нм. Свет называют монохроматическим (греч. хрома – цвет), т. е. одноцветным, если в нем присутствует только одна длина волны (практически, если длины волн в нем различаются не более чем на десятые доли нанометра). Монохроматический свет видимого диапазона вызывает ощущение определенного цвета, однако при соблюдении вышеуказанного условия можно говорить о монохроматическом ультрафиолетовом или инфракрасном свете. Особое значение для человека и животных имеет белый свет, содержащий все длины волн видимого диапазона в таком соотношении по интенсивностям, в каком они присутствуют в солнечном свете, достигающем поверхности Земли.

Источники света создают излучения, в которых интенсивности разных длин волн, как правило, неодинаковы. Распределение интенсивности света по длинам волн называют спектром излучения; визуально их можно наблюдать в спектроскопе. Виды спектров, испускаемых нагретыми телами, зависят от природы тела и его температуры, и они могут быть сплошными, линейчатыми или полосатыми. В сплошном спектре переход от одного цвета к другому совершается постепенно, тогда как линейчатый спектр состоит из отдельных цветных линий на темном фоне. Каждой линии соответствует очень узкий интервал длин волн. Полосатый спектр состоит из полос, образованных большим числом линий, расположенных очень близко друг от друга. Несмотря на огромные успехи, электромагнитная теория оказалась не в состоянии объяснить ряд явлений, касающихся взаимодействия света с веществом, а также вопрос о распределении энергии в спектре излучения нагретых тел. Для выхода из этих затруднений немецкий ученый Макс Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу о дискретном (прерывистом) характере излучения электромагнитных волн и ввел в физику понятие кванта энергии (лат. quantum – количество), величина которого W зависит только от частоты излучения

где l – длина волны и h – универсальная константа, называемая постоянной Планка (h = 6, 62·10^–34 Дж·с).

В настоящее время квантовый характер электромагнитного излучения установлен для всего электромагнитного спектра от длинных радиоволн до гамма-лучей. Кванты электромагнитного поля получили название фотонов. Энергия квантов увеличивается с уменьшением длины волны. Так, квант, соответствующий радиоволнам длиной 1 км, имеет энергию 2·10^–28 Дж, квант видимого света с длиной волны 500 нм имеет энергию 3, 9·10^–19 Дж, а гамма-квант с длиной волны 10^–12 м – 2·10^–13 Дж. Эти энергии можно сравнить со средней энергией теплового движения одноатомных молекул идеального газа при комнатной температуре (6, 2·10^–21 Дж). Из этого сравнения видно, что квантовый характер длинноволнового излучения мало заметен и начинает проявлять себя лишь в оптическом, а в особенности в гамма-диапазоне электромагнитного спектра. Особенно ярко проявляются квантовые свойства света в явлении фотоэффекта, т.е. в эмиссии электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. При взаимодействии фотона с электроном энергия фотона расходуется на работу ионизации А _И, которую надо совершить, чтобы вырвать электрон из атома или из тела в целом, а также на сообщение электрону кинетической энергии

Это равенство, называемое уравнением Эйнштейна, объясняет законы фотоэффекта. Сила фототока, определяемая числом вылетевших из тела электронов, пропорциональна интенсивности света, которая тем больше, чем больше число фотонов, падающих на тело. Скорость же фотоэлектронов и их энергия от интенсивности света не зависят и определяются только частотой света и работой выхода.

Излучение и поглощение света веществом связаны с квантовыми свойствами его атомов и молекул, внутренняя энергия которых меняется не непрерывно, а может принимать лишь определенные дискретные значения. Переход атомного электрона из одного энергетического состояния в другое происходит скачкообразно путем испускания (или поглощения) фотона, энергия которого равна разности энергий начального (постулат Бора). Отсюда частота света, испускаемого атомами или молекулами:

Формула Бора объясняет вид оптических спектров, так как каждая линия спектра соответствует одному из квантовых переходов между энергетическими уровнями в данном веществе. Разреженные одноатомные газы, пары металлов, состоящие из •отдельных, не взаимодействующих друг с другом атомов, дают при свечении линейчатые спектры. Более сложны молекулярные спектры, испускаемые парами многоатомных газов (СО₂, Н₂О), поскольку в молекулах, состоящих из взаимодействующих атомов, появляются дополнительные энергетические уровни, вызванные колебаниями атомов в молекуле и вращением их относительно общего центра масс. Излучение, обусловленное переходами электронов как между атомными, так и между колебательными и вращательными энергетическими уровнями в молекулах, приводит к образованию полосатых спектров. Сплошные спектры излучения от раскаленных твердых и жидких тел обусловлены переходами электронов между энергетическими уровнями, образованными совокупностью множества взаимодействующих между собой молекул и ионов, например, в кристаллической решетке твердого тела.

Для того чтобы квантовая система (атом, молекула) могла излучать фотоны, необходимо привести ее в возбужденное состояние, т.е. сообщить ей дополнительную энергию извне, например, путем нагревания вещества. При высоких температурах кинетическая энергия атомов может быть настолько велика, что при столкновениях валентные, или, как их называют, оптические, электроны получают энергию, достаточную для перехода на более высокие энергетические уровни. Перевести атомы в возбужденное состояние можно также, создавая в веществе электрический разряд, облучая его светом, ионизирующими излучениями. В возбужденном состоянии атомы и молекулы находятся очень короткое время (10^–15–10^–10 с), после чего переходят на нижележащие энергетические уровни, испуская фотоны. Отдельные атомы или молекулы совершают эти переходы независимо друг от друга, и поэтому испускание фотонов происходит беспорядочно. При спонтанном (самопроизвольном) излучении свет пространственно некогерентен. Это означает, что юн представляет собой беспорядочную смесь отдельных волн, которые усиливают или ослабляют друг друга случайным образом. Световой фронт от такого источника напоминает волну на поверхности воды, в которую бросили горсть песчинок, тогда как когерентная волна напоминает волну, полученную на воде при бросании одного камня.

Другое свойство температурного излучения, вызванного нагревом вещества, – его широкий спектральный состав. Объясняется это тем, что хотя средняя квадратичная скоростью атомов при данной температуре одинакова, истинные скорости у каждого атома различны, и распределение числа атомов по скоростям определяется законом Максвелла. Поэтому при столкновениях оптические электроны переходят на тем более высокие энергетические уровни, чем больше относительная скорость атомов или молекул при их столкновениях. Отсюда следует, что электроны, переходя с возбужденных уровней на основные, испускают фотоны различных энергий, которым соответствуют разные длины волн, в результате чего распределение интенсивности света, излучаемого нагретыми телами, зависит от температуры. Мощность такого излучения также распределена в широком диапазоне длин волн, и на узкий спектральный участок, например, зеленый, приходится небольшая мощность. Так, мощность излучения Солнца во всем диапазоне длин волн равна 7 кВт с 1 см² его поверхности. Если же отфильтровать узкую полосу зеленого цвета шириной D l = 1 нм, то каждый квадратный сантиметр солнечной поверхности излучает в этом интервале всего 10 мкВт. Таким образом, температурные источники света испускают спонтанное, некогерентное и немонохроматические излучения с малой мощностью при расчете на конкретную узкую область длин волн.

Солнце – наиболее мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Солнечное излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия), используется как средство закаливания. Оно же может оказывать негативное воздействие на организм (ожог, тепловой удар).

Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и на поверхности Земли различны, (рис.):

На границе атмосферы спектр близок к спектру черного тела. При этом максимум спектра излучения приходится на l _{1, max} = 470 нм. Используя закон Вина, по этому значению можно оценить температуру поверхности Солнца. Она примерно равна 6100 К.

У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. Максимуму этого спектра соответствует длина волны l _{2, max} = 555 нм, что соответствует наилучшей чувствительности глаза.

В спектре излучения Солнца, достигающего земной поверхности, отсутствуют самые коротковолновые ультрафиолетовые лучи, практически полностью поглощаемые озоновым слоем атмосферы (поэтому Солнце при наблюдении из космоса немного «зеленее», чем при взгляде на него с поверхности Земли). В области длин волн ниже 200 нм ультрафиолетовое излучение сильно поглощается всеми телами. Непоглощенную часть ультрафиолетового спектра условно делят на три области:

A. 400-315 нм – длинноволновая область;

B. 315-280 нм –- средневолновая область;

C. 280-200 нм – коротковолновая область.

Солнечная постоянная I – характеризует мощность солнечного излучения, приходящегося на 1 м² площади.

На границе земной атмосферы I = 1350 Вт/м², на экваторе вблизи поверхности земли – 1120 Вт/м², в Москве – 930 Вт/м².

Для биологических систем, существующих на земной поверхности, важным является то, как распределена энергия в спектре солнечного излучения. Это распределение резко меняется в зависимости от положения Солнца на небесном своде. При различной высоте над горизонтом солнечным лучам приходится проходить разные толщи атмосферы, которая рассеивает и поглощает эти лучи различным образом для разных длин волн. На рис. приведены сглаженные кривые распределения энергии солнечного света: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца в зените; III – при высоте 30° над горизонтом; IV –- при условиях, близких к восходу и закату, (10° над горизонтом).

В 1916 г. А. Эйнштейн показал, что, кроме спонтанного излучения света, существует возможность вынужденного излучения. Если частота фотона, падающего на возбужденный атом, совпадает с одной из частот, которые этот атом может испускать, то атом испускает фотон с такой же частотой, как и частота падающего фотона, т.е. происходит резонансное излучение. По своим свойствам вынужденное резонансное излучение резко отличается от спонтанного. Испущенный фотон совпадает с падающим не только по частоте, но и по направлению излучения и оказывается поляризованным в той же плоскости, что и падающий фотон. Для реализации вынужденного излучения необходимо, чтобы отсутствовало спонтанное излучение, т. е. чтобы электроны, попав на возбужденные уровни, оставались там достаточно долго, дожидаясь того момента, когда к ним подлетит резонансный фотон. В некоторых так называемых активных средах можно создать подобную инверсную населенность уровней, иными словами, такое распределение электронов по энергетическим уровням, при котором в одном из возбужденных состояний находится больше атомов, чем в других состояниях с меньшей энергией. Резонансные фотоны вызывают испускание фотонов, в свою очередь, играющих роль резонансных, вследствие чего число излучаемых фотонов лавинообразно нарастает, и интенсивность излучения будет очень велика. Таким образом, вынужденное излучение обладает большой интенсивностью, монохроматичностью и когерентностью. На этом явлении основано действие оптических квантовых генераторов или лазеров.