ЛЕКЦИЯ №7: ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛ. ИК- и УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В

ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ»

1.Основные физические характеристики
теплового излучения

2. Основные законы теплового излучения
3.Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения
4.Теплоотдача организма. Понятие о термографии

ЛИТЕРАТУРА

1.Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М., «Дрофа», 2008, §§ 22.1-22.7.
2. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики. М., «Дрофа», 2004, §§ 26.1-26.5.
3. Физика и биофизика (под ред. Антонова В.Ф.). М., «ГЭОТАР-Медиа», 2008, §§ 6.1, 6.2.

теплового излучения

Тепловое (температурное) излучение обусловлено возбуждением атомов и молекул при их соударениях в процессе теплового движения. Оно является универсальным явлением и происходит при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. При этом тела не только излучают, но и поглощают энергию от окружающих тел и атомов, находящихся в глубине самого тела.
Если тело (или система тел) в результате поглощения излучения или других процессов получает в единицу времени столько же энергии, сколько отдает путем излучения, то излучение называется равновесным.

в процессе теплообмена в ней устанавливается постоянная температура.

Тепловое излучение - практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Поясним это с помощью мысленного опыта.
Предположим, что нагретое излучающее тело помещено в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в результате непрерывного обмена энергией между телом и его излучением, наступит равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает.

чем поглощает, то температура тела начнет понижаться. В результате будет

уменьшаться количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, вновь не установится равновесие.
Все другие виды излучения неравновесны.
Рассмотрим некоторые основные количественные характеристики теплового излучения.
Излучательной способностью (энергетической светимостью) Е тела называется энергия электромагнитного излучения, испускаемого по всевозможным направлениям с единицы площади поверхности тела в единицу времени; выражается в Вт/м2 .

энергии электромагнитного излучения, поглощаемой телом, к энергии, падающей на него

(величина безразмерная). Опыт показывает, что излучательная и поглощательная способности тела зависят от природы тела, состояния его поверхности, термодинамической температуры Т и длины волны λ излучения. Поэтому вводят понятия о спектральной излучательной способности (Еλ,T) и спектральной поглощательной способности тела (Аλ,T). Эти величины относятся к определенной длине волны и температуре.
Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение любой длины волны, называется абсолютно черным телом. Его поглощательная способность равна единице:

(Аλ, T)черн. = 1
Моделью абсолютно черного тела может являться замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена (рис.1).








Рис.1

Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю.
Опыт показывает, что при размере отверстия меньшем 0,1 диаметра полости, падающее излучение всех частот почти полностью поглощается.

стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за

отражения света от стен.
Если нагревать стенки полости, то в ней при определенной температуре возникает равновесное излучение, которое выходит наружу и представляет собой излучение абсолютно черного тела.

не зависит от природы тела и для всех тел является

одной и той же функцией длины волны и температуры:

(1)

называют функцией Кирхгофа. Она определяет излучательную способность абсолютно черного тела:

(2)

2. Основные законы теплового излучения

что нагретые тела при определенной температуре преимущественно излучают те длины

волн, которые они при этой же температуре сильнее поглощают (и наоборот).
Важной характеристикой теплового излучения является распределение энергии излучения по длинам волн (распределение энергии излучения по спектру). В результате экспериментального изучения распределения энергии в спектре абсолютно черного тела установлены еще два основных закона теплового излучения:
2. Закон Стефана – Больцмана: полная (по всему спектру) излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

(3)

Коэффициент пропорциональности σ=5,7∙10-8 Вт/м2∙К4 называется постоянной Стефана-Больцмана.
Спектральные кривые для излучения абсолютно черного тела при различных температурах имеют вид (рис.2):



Рис.2

которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела обратно пропорциональна

абсолютной температуре:

(4)

где в=2898 мкм∙К, или
с повышением температуры максимум энергии излучения смещается в сторону более коротких волн.
Закон Вина для нечерных (реальных) тел выполняется только качественно. Рэлей, Джинс, Вин и другие долгое время пытались получить теоретически закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, т.е. найти общее выражение для функции Кирхгофа при любой температуре.

решил Макс Планк. Отказавшись от классических представлений о непрерывности световых

волн, он предположил, что свет распространяется определенными порциями или квантами.
Энергия кванта ε = hν, где ν–частота излучения, h = 6,62 ∙ 10-34 Дж∙с – постоянная Планка, не зависящая от частоты излучения.
Формула Планка для функции Кирхгофа имеет вид:

(5)

где k – постоянная Больцмана, с – скорость света в вакууме.

Основным источником теплового излучения в природе является Солнце. Спектральный

состав солнечного излучения соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре порядка 6000 К. Полная плотность потока солнечного излучения на верхней границе земной атмосферы составляет 1,93 кал/см2∙мин и называется солнечной постоянной.
При прохождении через атмосферу мощность солнечного излучения уменьшается.
В зависимости от состояния атмосферы и высоты Солнца над горизонтом, уменьшается также и солнечная постоянная. Изменяется и спектральный состав излучения.

озоном верхних слоев атмосферы, а часть длинноволнового ИК-излучения поглощается водяным

паром.
График распределения, энергии в спектре солнечного излучения приведен на рис. 3 (кривая А— на границе земной атмосферы, Б — на поверхности Земли):




Рис.3

соответствует длине волны 0,470 мкм, на поверхности Земли — около

0,555 мкм.
Из искусственных источников света по спектру ближе всего к Солнцу подходит электрическая дуга, излучение которой ранее использовалось для лечебных целей. В настоящее время в медицине применяются более удобные в эксплуатации источники инфракрасного и ультрафиолетового излучения, по возможности воспроизводящие соответствующие участки солнечного спектра.
Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область от 0,76 мкм до 400 мкм (от красной границы видимого света до коротковолнового радиоизлучения) называется инфракрасным (ИК) излучением.

невидимо для глаза. Основное его действие – тепловое, но может

вызывать и химические реакции, например, действует на специальную фотоэмульсию. При фотографировании в ИК-лучах становятся видимы детали предметов, не заметные при обычной фотографии.
Первичное действие ИК-излучения на организм состоит в прогревании поверхностно лежащих тканей; при этом излучение проникает в ткани на глубину до 2 см.
Искусственными источниками ИК-излучения являются лампы накаливания и специальные ИК-излучатели мощностью 500-600 Вт. Такой излучатель состоит из металлической спирали, которая навивается на керамическое основание.

источником коротковолнового ИК-излучения.
Электромагнитное излучение, занимающие спектральную область

от 380 нм до 10 нм (от фиолетовой границы видимого света до длинноволнового рентгеновского излучения) называется ультрафиолетовым (УФ) излучением.
Оно делится на 2 области: от 380 до 200 нм – ближнее или флуоресцентное УФ-излучение; от 200 до 10 нм – дальнее или вакуумное.
УФ-излучение поглощается простым стеклом, а при длине волны меньше 200 нм поглощается тонким слоем любого вещества, включая воздух. Поэтому дальнее УФ-излучение для медицины интереса не представляет.

которое может быть и полезным, и вредным. Его первичное действие

связано с фотохимическими реакциями, происходящими в тканях при поглощении излучения. В ткани оно проникает на глубину до 1 мм и проявляется на месте воздействия эритемой.
В соответствии с особенностями биологического действия выделяют следующие зоны УФ-излучения:
Зона А (380-315 нм) – антирахитная – отличается укрепляющим и закаливающим организм действием. Используется в профилактических и гигиенических целях.
Зона В (315-280 нм) – эритемная – характеризуется эритемным действием и используется в лечебных целях.
Зона С (280-200 нм) – бактерицидная – отличается бактерицидным действием; используется в качестве средства дезинфекции.

организма. Понятие о термографии

Тело человека имеет определенную температуру

благодаря терморегуляции, важной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой. Этот теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения. Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи незначителен. Испарение происходит с поверхности кожи и легких. На него приходится около 30% теплопотерь, а на конвекцию около 20%. Максимальная доля теплопотерь (около 50%) приходится на излучение во внешнюю среду от одежды и открытых частей тела. Вычислим эти теплопотери, сделав два допущения:

серые. У серых тел, подобно абсолютно черному телу коэффициент поглощения

не зависит от длины волны и температуры, но по величине меньше единицы. Закон Стефана–Больцмана для серых тел имеет вид:
ЕТ = δ Т4,

где δ = α ∙ σ – приведенный коэффициент излучения, α – коэффициент поглощения серого тела, σ – постоянная Стефана-Больцмана.
Применим закон Стефана–Больцмана к неравновесному излучению, каковым является излучение тела человека.
Пусть раздетый человек, температура поверхности тела которого Т1 находится в комнате с температурой Т0 (Т0<Т1).

имеет мощность:

Р1 = δ S Т1 4 .
Поглощенная мощность от окружающих предметов равна:
Р0 = δ S Т0 4 .
Таким образом, мощность, теряемая человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения, равна:
Р = Р1 – Р0 = δ S (Т1 4 – Т0 4) .
Для одетого человека под Т1 понимается температура поверхности одежды.
Тело человека излучает в ИК-диапазоне от 4 до 50 мкм, с максимумом при λ=9 мкм. У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно.

местную температуру, поэтому изменение интенсивности ИК-излучения может служить диагностическим признаком

наличия патологических процессов. Этот диагностический метод называется термографией.
Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.
Определение различия температуры поверхности тела при термографии в основном осуществляется двумя методами.
В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры.

по изменению их цвета определить местное различие температуры.

Другой метод, более распространенный, — технический, он основан на использовании тепловизоров.
Тепловизор — это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, преобразовывать это излучение в оптический диапазон и воспроизводить изображение тела на экране. Части тела, имеющие разные температуры, изображаются на экране разным цветом.

Компьютерная термография в диагностике

злокачественных опухолей глаза и орбиты

Термография в медицине

излучение?
Дайте определение излучательной способности тела.
Дайте определение поглощательной способности тела.
Дайте определение

абсолютно черного тела и объясните, что является моделью этого тела. Какие тела называются серыми?
Сформулируйте закон Кирхгофа.
Сформулируйте закон Стефана-Больцмана. Как может быть получен этот закон из формулы Планка?
Сформулируйте закон смещения Вина. Как может быть получен этот закон из формулы Планка?
Что называется ИК- излучением?
Что называется УФ- излучением?
Как применяется ИК-излученияе в медицине?
Приведите классификацию зон УФ-излучения в медицине.
Посредством каких процессов происходит теплообмен организма с окружающей средой?