Click here to load reader

Optika u biomehatronici - masfak.ni.ac.rs · Biomehatronika Optika u biomehatronici 3 STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI Savremena teorija o strukturi atoma i molekula

  • View
    6

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of Optika u biomehatronici - masfak.ni.ac.rs · Biomehatronika Optika u biomehatronici 3 STRUKTURA...

  • Biomehatronika 1Optika u biomehatronici

    OPTIKA U

    BIOMEHATRONICI

  • Biomehatronika 2Optika u biomehatronici

    UVOD

    Svetlost, kao deo spektra nejonizujueg elektromagnetnog zraenja, jeste jedna od prvih fizikih pojava sa kojima se ovek u ivotu sree i ivi i ima veliki znaaj bar sa dva aspekta :

    prvi aspekt se odnosi na upotrebu svetlosti u medicinskoj dijagnostici i terapiji,

    drugi aspekt se odnosi na fiziku oka i procesa vienja, koji predstavlja jedan od osnovnih vidova komunikacije oveka sa okolinom.

  • Biomehatronika 3Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Savremena teorija o strukturi atoma i molekula zasniva se na eksperimentalno dokazanoj injenici da su u mikrosvetu energije vezanih estica (na primer, elektrona u atomu i molekulu) kvantovane, tj. mogu imati samo tano odreene vrednosti. Najjednostavnija kvantna teorija o strukturi atoma je ona koju je formulisao Nils Bor. Bor je poao od pretpostavke da elektroni pri kretanju po stacionarnim putanjama (odreenim energetskim nivoima) ne emituju niti apsorbuju energiju.

  • Biomehatronika 4Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Energetski nivoi atoma. Mada je struktura energetskih nivoa elektrona u atomu veoma sloena, za nae potrebe e biti dovoljno ako je predstavimo sa dva Borova postulata:

    Prvi Borov postulat tvrdi da se elektron moe kretati u atomu samo po putanjama odreenog poluprenika za koje vai uslov da je moment koliine kretanja elektrona L jednak celobrojnom umnoku veliine h/2, tj.

    ==

    2hnrvmL nne

  • Biomehatronika 5Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Ovde je:me masa elektrona, vn je njegova brzina, rn je poluprenik orbite po kojoj se elektron kree,h je Plankova konstanta, n je ceo broj i naziva se glavni kvantni broj.

    Pri kretanju po ovakvoj orbiti elektron poseduje stalnu energiju En, koja odgovara stacionarnom stanju elektrona, ime su definisani energetski nivoi atomskog omotaa.

    ==

    2hnrvmL nne

  • Biomehatronika 6Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Drugi Borov postulat objanjava prelazak elektrona sa jednog na drugi energetski nivo. Pri prelasku elektrona sa nivoa energije Enna nivo energije Em elektron apsorbuje (prelaz sa nieg na vii energetski nivo) ili emituje (prelaz sa vieg na nii energetski nivo) kvant elektromagnetnog zraenja, ija je energija jednaka razlici energija ta dva stacionarna energetska nivoa:

    mn EEhE ==

  • Biomehatronika 7Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Struktura atomskog omotaa i raspored energetskih nivoa prikazani su na slici. Treba obratiti panju na injenicu da je, mada je rastojanje izmeu energetskih nivoa sve vee, energetska razlika izmeu susednih nivoa sve manja ukoliko se udaljavamo od jezgra atoma (energija je obrnuto srazmerna kvadratu glavnog kvantnog broja - n2). Zato e se pri prelazu elektrona na susedni nivo emitovati ili apsorbovati kvant vee energije i manje talasne duine ako su nivoi blii jezgru i obrnuto.

  • Biomehatronika 8Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Energija elektrona se najee izraava u elektronvoltima (eV). To je jedinica energije, ija se vrednost dobija na sledei nain:

    J106.1CJCx106.1eV1 1919 ==

  • Biomehatronika 9Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Energetski nivoi molekula. Energija molekula se sastoji od energije elektrona, energije oscilovanja atoma i molekula i energije rotacije molekula. Zbog toga je energetski spektar molekula komplikovaniji od energetskog spektra atoma. Na slici su prikazani energetski nivoi dvoatomnog molekula.

  • Biomehatronika 10Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Razlika energija dva nivoa se sastoji od tri energetska dela:

    gde jeEe - razlika energija elektrona, Eo - razlika energija oscilovanja atoma i molekula iEr - razlika energija rotacije molekula.

    Frekvencija kvanta elektromagnetnog zraenja koji se emituje pri prelazu elektrona sa vieg na nii energetski nivo bie

    roe EEEE ++=

    ( )roe EEEh1

    ++=

  • Biomehatronika 11Optika u biomehatronici

    STRUKTURA ATOMA I MOLEKULA - ENERGETSKI NIVOI

    Zbog velikog broja moguih prelaza (veliki broj energetskih nivoa), frekvencije pojedinih spektralnih linija mogu biti veoma bliske, zbog ega se kod molekula umesto linijskog spektra dobijaju trake od gusto poreanih linija - trakasti spektri. Zavisno od talasne duine kvanta, elektromagnetno zraenje e pripadati oblastima od ultraljubiaste do infracrvene.

  • Biomehatronika 12Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    Cepanje energetskih nivoa molekula usled oscilacija atoma u molekulu i oscilacije i rotacije samog molekula omoguuju elektronske prelaze koj ih nema u atomima. Posmatraemo dva susedna energetska nivoa molekula (sa energijama E1 i E2) i njihove podnivoe, koji nastaju usled oscilatornog kretanja. Izmeu svih podnivoa ova dva energetska nivoa moe doi do prelaza elektrona. Neka se elektron nalazi na osnovnom (oscilatornom) stanju nivoa energije E1. Ako se tom elektronu saopti energija E = hv, dovoljna da elektron pree na vii energetski nivo, on se moe vratiti na nivo na kome je bio na tri naina:

  • Biomehatronika 13Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    1. Elektron se vraa direktno na poetni nivo i pri tome emituje kvant zraenja iste energije E. Ovaj prelaz se odvija za veoma kratko vreme reda veliine 10-15 do 10-8 sekundi.

  • Biomehatronika 14Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    2. Elektron moe da pree prvo na osnovno stanje energetskog nivoa E2, a zatim na nivo E1. Kvant elektromagnetnog zraenja e se emitovati samo pri drugom prelazu. Za ovaj proces je potrebnoneto due vreme reda veliine 10-8 do 10-4 sekundi. Energija emitovanog kvanta je manja od energije upadnog kvanta.

  • Biomehatronika 15Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    Pogodnim izborom jedinjenja na ovaj nain se moe nevidljivo elektromagnetno zraenje (rendgensko i gama zraenje) prevesti u zraenje koje pripada vidljivom delu spektra. Najpogodniji materijali su fluori, zbog ega se ovaj proces emisije vidljive (ili ultraljubiaste) svetlosti pod dejstvom upadnog zraenja manje talasne duine naziva fluorescencija.

  • Biomehatronika 16Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    3. Ako se izmeu dva elektronska nivoa nalazi jo jedan metastabilni nivo energije Em, koji obino potie od drugog molekula, elektron pri povratku sa nivoa E moe da pree prvo na njega najee bez emitovanja energije (energija se oslobaa u nekom drugom vidu, recimo u vidu toplote). Verovatnoa prelaza elektrona sa metastabilnog nivoa na osnovni nivo je mala. Elektron se mora vratiti na vii energetski nivo E2, a tek odatle na nivo E1.

  • Biomehatronika 17Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    Vreme potrebno za ceo proces je reda veliine 10-4 do 1 sekunde, a moe nekad biti i znatno due. Energija kvanta zraenja, koji se dobija u ovom procesu nazvanom fosforescencija, manja je od energije upadnog kvanta i odgovara energiji vidljive svetlosti.

  • Biomehatronika 18Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    Za emitovano zraenje dobijeno u sve tri vrste procesa vai Stoksov zakon, koji kae da je energija kvanta emitovanog zraenja manja ili jednaka energiji apsorbovanog zraenja:

    'hh ' '

  • Biomehatronika 19Optika u biomehatronici

    FLUORESCENCIJA I FOSFORESCENCIJA

    Fluorescencija ima veliku primenu u medicini. Koristi se, pre svega, za vizuelizaciju slike u radiodijagnostici. Na ekran rendgenskog aparata nanosi se sloj fluorescentnog materijala u kome se nevidljiva rendgenska slika strukture ispitivanog dela tela pretvara u vidljivu sliku. Osim toga, analizom fluorescentnih spektara moe se ispitivati struktura makromolekula, fluorescentni materijali se koriste za bojenje nekih preparata i sl.

    Osobina fosforescencije nekih vrsta kristala koristi se u termoluminiscentnim dozimetrima, koji se mogu pozicionirati na mesta izloena zraenju pri radiolokoj terapiji i meriti direktno dozu zraenja.

  • Biomehatronika 20Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Prelaz elektrona sa jednog na drugi energetski nivo moe se vriti u dva smera, sa nieg energetskog nivoa na vii i sa vieg na nii. ta izaziva prelaz elektrona?

    U sluaju prelaza na vii nivo elektron mora apsorbovati energiju koja je jednaka razlici energija dva nivoa; taj proces se zove stimulisana apsorpcija.

  • Biomehatronika 21Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Za veinu prelaza elektrona sa vieg na nii nivo nije potreban poseban uzrok. Elektron moe spontano da pree na nii energetski nivo pri emu se emituje kvant zraenja; takav proces se naziva spontana emisija.

  • Biomehatronika 22Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    1917. godine Ajntajn je otkrio treu mogunost: pobueni atom moe biti stimulisan da pree u nie energetsko stanje upadnim fotonom, ija je energija jednaka energiji prelaza. Foton emitovan u ovom procesu ima istu energiju i fazu kao i stimuliui foton i kree se u istom pravcu. Ovaj proces je nazvan stimulisana emisija.

  • Biomehatronika 23Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Osnovni uslov za stimulisanu emisiju je dobijanje materijala u kome se atomi due zadravaju u pobuenom stanju, to znai da se elektroni nalaze na viem energetskom nivou. Kako se atomi normalno nalaze u osnovnom stanju, u kome elektroni popunjavaju najnie energetske nivoe, pobueno stanje se naziva inverzna populacija. Inverzna populacija se dobija postupkom koji se zoveoptiko pumpanje, a predstavlja izlaganje materijala snopu fotona ija energija odgovara nekom elektronskom prelazu.

  • Biomehatronika 24Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Elektroni koji su optikim pumpanjem preli sa osnovnog na vii energetski nivo (slika a), a zatim neemisionim prelazom na metastabilni nivo, sa koga nije dozvoljen spontani prelaz u osnovno stanje, ine inverznu populaciju (slika b). Prelaz elektrona sa metastabilnog u osnovno stanje deava se samo ako je elektron stimulisan i praen je emisijom fotona (slika c).

  • Biomehatronika 25Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Stimulisana emisija je osnova jednog vanog tehnolokog izuma - lasera, ije je ime izvedeno iz Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). U laserskom ureaju se moe dobiti svetlosni snop izvanrednih karakteristika, zbog ega su laseri nali iroku primenu u svim oblastima ukljuujui medicinu.

    Osnovne karakteristike laserske svetlosti su: svetlosni snop je monohromatski - svi talasi imaju istu energiju i

    istu talasnu duinu, svetlosni snop je koherentan - svi talasi su u fazi, to omoguuje

    dobijanje veoma uzanog snopa koji moe da pree veliku daljinu sa malim osipanjem,

    zahvaljujui prethodno navedenim osobinama, laserski snop moe biti veoma snaan i izvanredno kolimisan.

  • Biomehatronika 26Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Snaga laserskog snopa se kree od nekoliko mW do 1 MW, a u pulsnim laserima i do 100 MW, dok veliina spota ima dijametar od 0,1 - 1 mm.

    Opseg talasnih duina laserskog snopa je veliki i zavisi od materijala u kome se deava stimulisana emisija. Taj materijal se naziva radno telo lasera.

    Kao primer moemo uzeti rubinski laser, ije je radno telo kristal rubina (A1203) koji sadri 0,05% hroma (Cr). Ovakva kombinacija daje energetski prelaz pri kome se emituje elektromagnetno zraenje talasne duine 694,3 nm u crvenoj oblasti vidljivog dela spektra.

    Drugi tip lasera je gasni helijum-neonski (He-Ne) laser. Pored navedenih, postoje laseri ija su radna tela

    ugljendioksid, argon, kripton itd.

  • Biomehatronika 27Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

  • Biomehatronika 28Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Laseri se koriste u razne svrhe. Zahvaljujui dobro kolimisanom snopu mogu se koristiti za merenje velikih rastojanja (udaljenost Meseca od Zemlje); velika snaga i dobro fokusiranje koriste se umetalurgiji za seenje metala; poznata je upotreba u laserskim tampaima, za oitavanje cena na proizvodima u supermarketima, "light show", za dekodiranje signala u telefonskim centralama i dr. Koriste se mnogo u naunim istraivanjima za analizu materijala, precizna merenja, dobijanje holograma - rekonstrukciju trodimenzionalne slike (na primer, slika unutranje upljine eluca), separaciju izotopa radijuma, merenje brzine fluida (na primer, krvi) na bazi Doplerovog efekta i u mnogim drugim oblastima.

  • Biomehatronika 29Optika u biomehatronici

    STIMULISANA EMISIJA SVETLOSTI. LASERI

    Laseri se primenjuju u skoro svim oblastima medicine. S obzirom da je njihova upotreba primarno bazirana na predavanju energije tkivu, talasna duina laserske svetlosti se mora birati tako da njena apsorpcija od strane tkiva bude to vea. Grafik, pokazuje odnos apsorpcije i refleksije snopa laserske svetlosti na povrini koe u zavisnosti od talasne duine. Laserska svetlost manje talasne duine biti uvek znatno bolje apsorbovana.

  • Biomehatronika 30Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Podela lasera prema vrsti radnog tela:

    vsrtotelni laseri, poluprovodniki laseri, gasni laseri.

    Podela lasera prema tipu zraenja:

    laseri sa kontinualnim zraenjem (He-Ne, Kr, C02, Ar) , impulsne (rubin, neodijumsko staklo)

  • Biomehatronika 31Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Rubinski (vrstotelni) laser je prvi put prikazan 1961. godine (T.H.Maiman). Aktivna sredina je aluminijum trioksid u kome oko 0.05% atoma aluminijuma zamenimo atomima hroma (Cr). Na slici je ematski prikazan princip konstrukcije ovakvog lasera. Primenjeni napon za pobudjivanje je 4000 do 10000 V. Preko kondanzatorske mree ovaj napon se vodi na ksenonsku lampu koja je helikoidalnog oblika oko rubinskog tapa. Ksenonska cev fokusira svoje zraenje, koje pobudjuje atome hroma.

  • Biomehatronika 32Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Pobudjeni atomi hroma se zaustavljaju na metastabilnom nivou, i uz primenu rezonatora zrae koherentnu svetlost ( =0.6943 m). Ovaj laser radi u "burst" reimu (kratki intervali rada), da bi se spreilo zagrevanje kristala rubina i ne bi poremetila struktura knstala. Trajanje impulsa je reda s, a maksimalna snaga koja se postie je reda 15000 J/cm2.

  • Biomehatronika 33Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Ovaj laser se koristi vrlo efikasno za hirurgiju u oftamologiji, naroito u sluajevima retinopatija, odnosno uklanjanja krvnih sudova koji ugroavaju normalne funkcije na retini (deo oka).

  • Biomehatronika 34Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    U gasnim laserima aktivna sredina je gas. Argonski laser radi na principu jonizacije i pobudjivanja atoma argona. Plazma cev dovodi do jonizacije i do spontanog zraenja u oblasti vidljive svetlosti. Ovaj sistem zahteva hladjenje, i snaga napajanja je 38 kW, za izvor zraenja snage 18 W.

  • Biomehatronika 35Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Zraenje je u opsegu od 0.458 do 0.515 m. S obzirom na talasnu duinu lako zakljuujemo da ovo zraenje absorbuju crvena tela. Ova absorbcija ide u toplotu, pa se taj fenomen koristi zafotokoagulaciju krvi. Ovaj uredjaj se koristi i za gastroenteroloke namene.

  • Biomehatronika 36Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    U helijum-neonskom laseru u sudarnom procesu atoma dva gasa se podie energija. Na deset delova helijuma je jedan deo neona. U komori je nizak pritisak (p = 1 mmHg). Za generisanje kontinulanog zraenja koristi se radiofrekvencijsko pobudjivanje.

  • Biomehatronika 37Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    U sluaju ovog He-Ne lasera, dve elektrona u atomu helijuma imaju ili paralelne ili antiparalelne spinove. Ovi atomi u sudarnom procesu sa neonom pobudjuju neonske atome. Vraanjem neona u nepobudjeno stanje emituje se koherentna svetlost. Energija zraenja je mala (reda mW), a mogu da rade na razliitim uestanostima.

  • Biomehatronika 38Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    C02 laser je namenjen hirurkim intervencijama u kojima ne treba da dodje do krvarenja. Ovaj laser obezbedjuje hirurki rez i koagulaciju vrlo tankog sloja u okolini reza.

  • Biomehatronika 39Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    S obzirom da do koagulacije tkiva dolazi na relativno niskim temperaturama (manje od 100 C), ne dolazi do oteenja okolnog tkiva. C02 laser radi sa meavinom ugljen dioksida, azota i helijuma. Ugljen dioksid je aktivni medijum. Efikasnost C02 lasera je oko 15%, i ovde treba hladiti sistem (vodom).

  • Biomehatronika 40Optika u biomehatronici

    VRSTE LASERA I PRIMENA U MEDICINI

    Na ovaj nain dolazi do breg zarastanja, smanjenja otoka, bola i samim tim boljeg komfora u leenju. Osnovne karakterstike ovog lasera su da kontinualno daje relativno veliku encrgiju u opsegu infracrvenih talasa, koje skoro sva tkiva podjednako dobro apsorbuju.

  • Biomehatronika 41Optika u biomehatronici

    SVETLOVODNA OPTIKARefleksija i totalna refleksija su osnova svetlovodne optike.

    Ona je napravila revoluciju u telekomunikacijama, ali ima vanu primenu i u medicinskoj dijagnostici za direktno posmatranje nekih unutranjih upljina u organizmu nedostupnih ljudskom oku. Vizuelna tehnika koja se bavi ispitivanjem zidova prirodnih upljina u organizmu oveka naziva se endoskopija, a aparat koji slui u te svrhe endoskop.

  • Biomehatronika 42Optika u biomehatronici

    SVETLOVODNA OPTIKAOsnovni deo endoskopa je sveanj od oko 200.000

    elastinih staklenih vlakana koja formiraju optiki kabl. Tipino vlakno se sastoji od staklenog jezgra dijametra 8 m, omotanog staklenim materijalom manjeg indeksa prelamanja u odnosu na jezgro. Svetlosni snop koji ulazi u vlakno totalno se reflektuje vie puta na granici jezgra i omotaa i stie na drugi kraj vlakna praktino neizmenjen.

  • Biomehatronika 43Optika u biomehatronici

    SVETLOVODNA OPTIKAEndoskopi su napravljeni od svetlovodnog kabla, kome su

    dodati izvor svetlosti i soivo (okular). Sve to se nalazi u dugakim metalnim cevima dijametra 3-5 mm. Svetlost putuje prema posmatranom objektu spoljnim delom svenja vlakana, difuzno se reflektuje na objektu i vraa unutranjim delom svenja. Svako vlakno nosi sliku jednog detalja objekta, to znai da se slika dobija u vidu mozaika. Vea gustina vlakana daje otriju sliku posmatrane povrine.

  • Biomehatronika 44Optika u biomehatronici

    OPTIKI SISTEM OKAOptiki sistem oka sa vidnim putevima slian je kameri sa

    pridruenim delovima. Na slici je dat uporedan ematski prikaz funkcionisanja oka i TV kamere. I jedan i drugi sistem sastoji se iz sledeih celina:

  • Biomehatronika 45Optika u biomehatronici

    OPTIKI SISTEM OKA Sistem soiva kroz koje prolaze i prelamaju se svetlosni zraci, Dijafragma sa uskim krunim otvorom, odnosno zenica, koja

    regulie koliinu primljene svetlosti, Mrana komora sa negativom, koji u oku predstavlja mrenjaa,

    koja prima svetlosne nadraaje, Optiki nervi (kabl koji povezuje kameru sa monitorom), preko

    kojih se prenose svetlosni nadraaji ka vidnim centrima u mozgu; slika koju mozak "vidi" je obrnuta u odnosu na lik predmeta u oku i odgovara realnom predmetu.