Ogroman broj različitih pojava se javlja jer se energija atoma i molekula mijenja. U nekim slučajevima, za praksu, nema potrebe za atomsko-molekularnim pristupom analizi fenomena. U drugima, djelotvorno korištenje fenomena moguće je samo uz neophodno razmatranje njegove molekularne (atomske) prirode.

Ovo poglavlje opisuje karakteristike zračenja i apsorpcije energije atomima i molekulama, kao i neke praktično važne pojave, čije je poznavanje atomske prirode neophodno za njihovu upotrebu. Neka od ovih širokih tema razmatraju se u sljedećem poglavlju.

29.1. OSOBINE ZRAČENJA I APSORPCIJE ENERGIJE

ATOMI I MOLEKULI

Atom i molekul mogu biti u stacionarnim energetskim stanjima. U tim stanjima ne emituju niti apsorbuju energiju. Energetska stanja su šematski prikazana kao nivoi (vidi, na primjer, sliku 28.13). Najniži energetski nivo - nivo zemlje - odgovara osnovnom stanju.

U kvantnim prijelazima, atomi i molekuli skaču iz jednog stacionarnog stanja u drugo, s jednog energetskog nivoa na drugi.

Promena stanja atoma je povezana sa energetske tranzicije elektrona. U molekulima se energija može mijenjati ne samo kao rezultat elektronskih prijelaza, već i kao rezultat promjena u vibracijama atoma i prijelaza između rotacijskih nivoa.

Kada se krećete sa višeg nivoi energije odaje energiju nižem atomu ili molekuli i apsorbira je tokom obrnutih prijelaza. Atom u svom osnovnom stanju može apsorbirati samo energiju.

Postoje dvije vrste kvantnih prijelaza:

1) bez zračenja ili apsorpcije elektromagnetne energije od strane atoma ili molekula. Takav neradijativni prijelaz događa se kada atom ili molekul interagiraju s drugim česticama.

mi, na primjer, u procesu sudara. Razlikovati neelastični sudar, u kojem se mijenja unutarnje stanje atoma i dolazi do neradijativne tranzicije, i elastičnog - s promjenom kinetičke energije atoma ili molekule, ali uz očuvanje unutrašnjeg stanja; 2) sa emisijom ili apsorpcijom fotona.

Energija fotona jednaka je razlici između energija početnog i konačnog stacionarnog stanja atoma ili molekule:

Formula (29.1) izražava zakon očuvanja energije.

Ovisno o uzroku koji uzrokuje kvantni prijelaz s emisijom fotona, razlikuju se dvije vrste zračenja. Ako je ovaj uzrok unutrašnji i pobuđena čestica spontano prelazi na niži energetski nivo, takvo zračenje se naziva spontano(Sl. 29.1, a). Ona je nasumična i haotična u vremenu, frekvenciji (mogu postojati prijelazi između različitih podnivoa), u smjeru širenja i polarizacije. Konvencionalni izvori svjetlosti emituju uglavnom spontano zračenje. Ostalo zračenje prisiljen, ili inducirano(Sl. 29.1, b). Nastaje tokom interakcije fotona sa pobuđenom česticom, ako je energija fotona jednaka razlici između energetskih nivoa. Kao rezultat prisilne kvantne tranzicije, dva identična fotona će se širiti iz čestice u istom smjeru: jedan je primarni, prisiljavajući, a drugi je sekundarni, emitiran.

Energija koju emituju atomi ili molekuli formira emisioni spektar, a apsorbovana energija formira apsorpcioni spektar.

Intenzitet spektralne linije je određena brojem identičnih prelaza koji se dešavaju u sekundi, te stoga zavisi od broja emitujućih (apsorbujućih) atoma i verovatnoće odgovarajućeg prelaza.

Kvantni prijelazi se ne izvode između bilo kojeg energetskog nivoa. Utvrđena pravila selekcije, odnosno zabrane, koja formulišu uslove pod kojima su tranzicije moguće, a nemoguće ili malo verovatne.

Energetski nivoi većine atoma i molekula su prilično složeni. Struktura nivoa i, shodno tome, spektri ne zavise od

samo iz zgrade pojedinačni atom ili molekula, ali i iz vanjskih uzroka.

Elektromagnetna interakcija elektrona dovodi do finog cijepanja 1 nivoa energije (fina struktura). Utjecaj magnetnih momenata jezgara uzrokuje hiperfino cijepanje (hiperfina struktura). Vanjski prema atomu ili molekuli, električni i magnetna polja takođe izazivaju cepanje energetskih nivoa (Starkov i Zeeman fenomen; videti 30.2).

Spektri su izvor različitih informacija.

Prije svega, atomi i molekuli se mogu identificirati po obliku spektra, što je dio zadataka kvalitativne spektralne analize. Broj emitujućih (apsorbujućih) atoma određuje se iz intenziteta spektralnih linija – kvantitativna spektralna analiza. Istovremeno, nečistoće u koncentracijama od 10 -5 - 10 -6% relativno je lako pronaći i utvrditi sastav uzoraka vrlo male mase - do nekoliko desetina mikrograma.

Iz spektra se može suditi o strukturi atoma ili molekula, strukturi njihovih energetskih nivoa, pokretljivosti pojedinih dijelova velikih molekula itd. Znajući ovisnost spektra o poljima koja djeluju na atom ili molekulu, dolazi se do informacija o relativnu pozicijučestice, jer se uticaj susjednih atoma (molekula) vrši pomoću elektromagnetnog polja.

Proučavanje spektra pokretnih tijela omogućava da se na osnovu optičkog Doplerovog efekta odrede relativne brzine emitera i prijemnika zračenja.

Ako uzmemo u obzir da je iz spektra supstance moguće izvući zaključke o njenom stanju, temperaturi, pritisku itd., onda možemo visoko cijeniti korištenje zračenja i apsorpciju energije atomima i molekulama kao istraživačku metodu .

Ovisno o energiji (frekvenciji) fotona kojeg emituje ili apsorbira atom (ili molekula), klasificiraju se sljedeće vrste spektroskopije: radio, infracrveno, vidljivo zračenje, ultraljubičasto i rendgensko 2 .

Prema vrsti supstance (izvor spektra), atomski, molekularni spektri i spektrikristali.

1 Pojam "cijepanje" ovdje ne označava proces, već neko već formirano stanje.

2 Gama spektroskopija zbog nuklearnih kvantnih prijelaza ovdje nije naznačena.

29.2. APSORPCIJA LIGHT

Intenzitet svjetlosti koja se širi u mediju može se smanjiti zbog njegove apsorpcije i raspršenja od strane molekula (atoma) tvari.

Upijanjem svjetlostinaziva se slabljenjem intenziteta svjetlosti pri prolasku kroz bilo koju supstancu zbog pretvaranja svjetlosne energije u druge oblike energije.

Hajde da uspostavimo zakon apsorpcije svetlosti materijom. Ako odaberemo mali sloj tvari debljine dx(Sl. 29.2), tada će slabljenje intenziteta dI svjetlosti od strane ovog sloja tokom apsorpcije biti to veće, što je veća debljina sloja i intenzitet svjetlosti koja pada na ovaj sloj:

gdje k- indeks prirodnog apsorpcije (faktor proporcionalnosti koji zavisi od apsorpcionog medija i ne zavisi u određenim granicama od intenziteta svetlosti); znak “-” znači da se intenzitet svjetlosti smanjuje pri prolasku kroz supstancu, tj. dI<0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Ova formula izražava Bouguerov zakon apsorpcije svjetlosti. Kao što vidite, prirodna stopa apsorpcije k je recipročna udaljenost na kojoj je intenzitet svjetlosti oslabljen kao rezultat apsorpcije u mediju u e jednom.

Prirodni indeks apsorpcije zavisi od talasne dužine svetlosti, pa je preporučljivo napisati zakon (29.3) za monohromatsko svetlo:

gdje kx- monohromatski prirodni indikator apsorpcije.

Budući da je apsorpcija svjetlosti posljedica interakcije s molekulima, zakon apsorpcije se može povezati s određenim karakteristikama molekula.

Neka P je koncentracija molekula koji apsorbiraju kvante svjetlosti. Označimo efektivni presjek apsorpcije molekula kao σ (neka površina, kada foton uđe u koju ga molekula zarobi).

Ukupna površina efektivnog poprečnog presjeka molekula ovog sloja jednaka je σnSdx. Tok fotona pada na ovaj sloj F = IS. Udio efektivne površine poprečnog presjeka molekula u ukupnoj površini poprečnog presjeka:

Udio fotona koje apsorbira sloj može se izraziti u terminima fluksa (F/F) ili intenziteta (dI/I) svjetlosti. Na osnovu navedenog možemo napisati:

29.3. RASPIRANJE SVJETLA

Rasipanje svetlostinaziva se fenomen u kojem se svjetlosni snop koji se širi u mediju odbija u svim mogućim smjerovima.

Neophodan uslov za nastanak rasejanja svetlosti je prisustvo optičkih nehomogenosti, tj. regije s indeksom prelamanja koji nije glavni medij.

Rasipanje i difrakcija svetlosti imaju neke zajedničke karakteristike, obe pojave zavise od odnosa barijere ili nehomogenosti i talasne dužine. Razlika između ovih fenomena leži u činjenici da je difrakcija posljedica interferencije sekundarnih valova, a raspršivanje je posljedica dodavanja (a ne interferencije!) zračenja koje nastaje zbog prisilnih oscilacija elektrona u nehomogenostima pod utjecajem svjetlosti.

Postoje dvije glavne vrste takvih nehomogenosti:

1) male strane čestice u homogenoj providnoj materiji. Takvi mediji su mutni: dim (čvrste čestice u gasu), magla (tečne kapljice u gasu), suspenzije, emulzije itd. Rasipanje u mutnim medijima naziva se Tyndallov fenomen;

2) optičke nehomogenosti koje nastaju u čistoj supstanci usled statističkog odstupanja molekula od ujednačene raspodele (fluktuacije gustine). Rasipanje svjetlosti nehomogenostima ovog tipa naziva se molekularno; na primjer, rasipanje svjetlosti u atmosferi.

Smanjenje intenziteta svjetlosti zbog raspršenja, kao u slučaju apsorpcije, opisuje se eksponencijalnom funkcijom:

gdje m- indeks raspršenja (prirodni).

Pod kombiniranim djelovanjem apsorpcije i raspršenja svjetlosti, slabljenje intenziteta je također eksponencijalna funkcija:

gdje je μ indeks slabljenja (prirodni). Lako je vidjeti da je μ = m+k.

Rayleigh je otkrio da je tokom rasejanja u zamućenoj sredini nehomogenostima približno manjim od 0,2λ, kao i tokom molekularnog rasejanja, intenzitet raspršene svetlosti obrnuto proporcionalan četvrtom stepenu talasne dužine (Rayleighov zakon):

To znači da iz bijele svjetlosti tvar, na primjer, u tački d(Sl. 29.3), plavi i ljubičasti zraci će se pretežno raspršivati ​​(smjer A), a crveni zraci će proći u pravcu b padajuće svjetlo. Sličan fenomen se uočava u prirodi: plava boja neba je raspršena svjetlost, crvena boja zalazećeg Sunca je promjena u spektru bijele svjetlosti zbog značajnog raspršenja

plavi i ljubičasti zraci u atmosferi kosog upada (vidi objašnjenje za sliku 27.3).

Manje rasipanje crvenih zraka se koristi u signalizaciji: identifikaciona svetla na aerodromima, najvažniji semafor je crveni itd. Infracrveni zraci se još manje raspršuju. Na sl. 29.4 prikazuje dvije fotografije krajolika: na lijevoj strani, snimljenoj uobičajenom metodom, magla je jako ograničena vidljivost: na desnoj strani, snimljena infracrvenim zračenjem na posebnoj ploči, magla ne ometa, ispostavilo se da je prozirna za duži talasi.

Ako su suspendirane čestice velike u odnosu na talasnu dužinu, onda rasipanje ne odgovara Rayleighovom zakonu (29.14) – imenilac razlomka će biti λ 2 . Difuzno svjetlo gubi plavetnilo i postaje bjelji. Tako nam se prašnjavo nebo gradova čini bjelkasto, za razliku od tamnoplavog neba čistih morskih prostora.

Smjer raspršene svjetlosti, stepen njene polarizacije, spektralni sastav itd. donose informacije o parametrima koji karakterišu međumolekulsku interakciju, veličinama makromolekula u rastvorima, čestica u koloidnim rastvorima, emulzijama, aerosolima itd.

Metode za mjerenje raspršene svjetlosti kako bi se dobila ovakva informacija se nazivaju nefelometrija, i odgovarajućih uređaja nefelometri.

29.4. OPTIČKI ATOMSKI SPEKTRI

Atomski spektri su i emisioni i apsorpcioni spektri koji nastaju tokom kvantnih prelaza između nivoa slobodnih ili slabo interakcijskih atoma.

Pod optičkim atomskim spektrima podrazumijevamo one koji su posljedica prijelaza između nivoa vanjskih elektrona s energijama fotona reda nekoliko elektron volti. Ovo uključuje ultraljubičastu, vidljivu i blisku infracrvenu (do mikrometara) područja spektra.

Najveći interes su optički spektri atomske emisije, koji se dobijaju od pobuđenih atoma. Njihovo se pobuđivanje obično postiže kao rezultat neradijativnih kvantnih prijelaza tijekom električnog pražnjenja u plinu ili zagrijavanja tvari plamenom plinskog plamenika, električnim lukom ili iskrom.

U 29.1, data su opšta razmatranja o spektrima atoma. Detaljne informacije o spektrima određenih atoma mogu se naći u posebnim referentnim knjigama o spektroskopiji. Kao jednostavan primjer, razmotrite spektar atoma vodika i jona sličnih vodiku.

Iz formula (28.24) i (29.1) može se dobiti formula za frekvenciju svjetlosti koju emituje (apsorbira) atom vodonika (Z = 1):

Ovu formulu je eksperimentalno pronašao I.Ya. Balmer mnogo prije stvaranja kvantne mehanike i teoretski dobiven od Bohra (vidi 28.7); i i k su redni brojevi nivoa između kojih se dešava kvantni prelaz.

Spektar se može podijeliti u grupe linija tzv spektralne serije.

Svaka serija, primijenjena na emisione spektre, odgovara prijelazima sa različitih nivoa na isti konačni nivo (slika 29.5).

Nalazi se u ultraljubičastom području lyman serija, koja nastaje pri prelasku sa najviših energetskih nivoa na najviše

donji, glavni (k = 1). Iz formule (29.15) za Lymanov niz dobijamo:

one. pronađite frekvencije svih linija ove serije. Najduža linija talasne dužine ima najveći intenzitet. Intenzitet spektralnih linija na sl. 29.5 su uslovno prikazane debljinom odgovarajućih direktnih prelaza.

U vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra nalazi se Balmerova serija koja nastaje kao rezultat prijelaza sa gornjeg energetskog nivoa na drugi (k = 2). Iz formule (29.15) for Balmer serija dobijamo:

29.5. MOLEKULARNI SPEKTRI

Molekularni spektri (emisije i apsorpcije) nastaju tokom kvantnih prelaza molekula sa jednog energetskog nivoa na drugi (videti 28.9) i sastoje se od skupa manje ili više širokih traka, koje su blisko raspoređene linije. Složenost molekularnih spektra u poređenju sa atomskim je posljedica

velika raznolikost kretanja i, posljedično, energetskih prijelaza u molekuli.

Uzimajući u obzir (29.1) i (28.37), nalazimo frekvenciju koju emituje ili apsorbuje molekul:

Molekularni spektri omogućavaju proučavanje ne samo strukture molekula, već i prirode međumolekulskih interakcija.

Molekularni apsorpcioni (apsorpcioni) spektri su važan izvor informacija o biološki funkcionalnim molekulima, široko se koriste u savremenim biohemijskim i biofizičkim radovima.

U mnogim slučajevima, ovi spektri se snimaju kao kontinuirani, ne rješavajući detalje koji su gore opisani.

Tako, na primjer, na sl. 29.8 prikazuje apsorpcijski spektar suspenzije eritrocita. Spektar apsorpcije ljudske kože prikazan je na Sl. 29.9, u ultraljubičastom dijelu, stopa apsorpcije je visoka i koža apsorbira zračenje u najvišim slojevima. U vidljivom dijelu, apsorbancija se smanjuje i ostaje gotovo konstantna sve do crvene regije.

29.6. RAZNE VRSTE LUMINESCENCIJE

Luminescencija se naziva višak toplotnog zračenja tela na datoj temperaturi, koji ima trajanje znatno duže od perioda(10 -15 s) emitovanih svetlosnih talasa.

Znak trajanja u ovoj definiciji predložio je S.I. Vavilova kako bi se luminiscencija razlikovala od nekih drugih pojava sekundarne luminiscencije, kao što su refleksija i raspršivanje svjetlosti.

Ovisno o vrsti pobude, razlikuje se nekoliko vrsta luminiscencije.

Luminescencija uzrokovana nabijenim česticama: joni - jonoluminiscencija, elektroni - katodoluminiscencija, nuklearno zračenje - radioluminiscencija. Luminiscencija pod uticajem rendgenskog i γ-zračenja naziva se rendgenska luminiscencija, fotoni - fotoluminiscencija (vidi 29.7). Prilikom trljanja, drobljenja ili cijepanja nekih kristala, triboluminiscencija. Pobuđen električnim poljem elektroluminiscencija, poseban slučaj je sjaj gasnog pražnjenja. Luminiscencija koja prati egzotermnu hemijsku reakciju naziva se hemiluminiscencija (vidi 29.8).

Fotoluminiscencija, koja se ponekad naziva jednostavno i luminiscencija, dijeli se na fluorescenciju (kratko naknadno sjajenje) i fosforescenciju (relativno dugo poslijesjaj).

Početni čin bilo koje fotoluminiscencije je pobuđivanje fotona energijom hv atom ili molekul. U najjednostavnijem slučaju, koji se obično realizuje u monoatomskim parama i gasovima, atom se vraća u osnovno stanje, emitujući foton svetlosti iste frekvencije ν (slika 29.10). Ovaj fenomen se zove rezonantna fluorescencija (rezonantno rasipanje). Posebni eksperimenti su pokazali šta je svjetlost

29.7. FOTOLUMINESCENCIJA

Emisija se javlja otprilike 10 -8 s nakon osvjetljenja supstance i stoga nije rasipanje u uobičajenom smislu riječi.

Kada se luminiscentnim parama dodaju strani gasovi (vodonik, kiseonik, itd.), rezonantna fluorescencija se smanjuje. To je zbog činjenice da je za vrijeme dok je atom

u pobuđenom stanju, može se susresti s različitim vrstama molekula i dati mu energiju. U tom slučaju kinetička energija molekula raste, a atom neradijativno prelazi u osnovno stanje.

Verovatnije je da iz uzbuđenog stanja 3 (Sl. 29.11) molekul će neradijativno preći na nivo 2, a zatim spontano sa emisijom kvanta sa energijom hv" do nivoa 1.

U složenim organskim molekulima dolazi do prijelaza iz pobuđenog stanja 3 u neki srednji, metastabilan 4, prelazak iz kojeg u osnovno stanje je malo verovatan (slika 29.12). Zbog molekularno-kinetičke energije okolnih čestica ili zbog novog kvanta svjetlosti moguć je prijelaz molekula na pobuđeni nivo 2, a iz njega u osnovno stanje 1. Ovo je jedan od mehanizama fosforescencije. Zagrijavanje povećava vjerovatnoću napuštanja metastabilnog nivoa i pojačava fosforescenciju.

Za fotoluminiscenciju je u osnovi tačno Stokesov zakon: spektar luminescencije je pomeren prema dugim talasnim dužinama u odnosu na spektar koji je izazvao ovu fotoluminiscenciju (slika 29.13).

U stvari, kao što se može vidjeti sa Sl. 29.10, energija hv "emitovanog fotona nije veća od energije hv apsorbiranog fotona:

odakle λ "\u003e λ. Postoje odstupanja od Stokesovog zakona - anti-Stokesova luminiscencija. Ovo je posebno vidljivo kada je fotoluminiscencija pobuđena posebnom spektralnom linijom, tj. monohromatskom svjetlošću (slika 29.14). Anti-Stokesovo zračenje nastaje kada pobuđena je čestica koja je već bila u pobuđenom stanju (slika 29.15, nivo 3). 2 na glavnom 1 energija hv se emituje". Kao što se vidi sa slike:

Brojni biološki funkcionalni molekuli, kao što su proteinski molekuli, pokazuju fluorescenciju. Parametri fluorescencije su osjetljivi na strukturu okoline fluorescentnog molekula, stoga se luminiscencija može koristiti za proučavanje kemijskih transformacija i međumolekularnih interakcija.

Poslednjih decenija, specijalni fluorescentni molekuli dodani membranskim sistemima izvana su postali široku upotrebu. Takvi molekuli se nazivaju fluorescentne sonde (nekovalentna veza sa membranom) ili fluorescentne oznake (hemijska veza).

Promjena fluorescencije sondi i oznaka omogućava otkrivanje konformacijskih preuređivanja u proteinima i membranama.

Razmotrite neke primjene fotoluminiscencije u medicinske svrhe.

Luminescentna analiza, zasnovana na posmatranju luminiscencije objekata u cilju njihovog proučavanja, koristi se za otkrivanje početne faze kvarenja hrane, sortiranje farmakoloških preparata i dijagnostikovanje određenih bolesti. Dakle, kosa i ljuske zahvaćene gljivicom pod ultraljubičastim svjetlom daju jarko zeleni luminiscentni sjaj. Propustljivost kapilara kože može se odrediti subkutanim ubrizgavanjem fluorescentnih boja.

Pod povoljnim uslovima, luminiscentna analiza omogućava detekciju luminiscentnih supstanci težine do 10 -10 g.

Luminescentna analiza mikroskopskih objekata provodi se pomoću posebnih luminiscentnih mikroskopa, koji, za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti, obično koriste živine lampe visokog i ultravisokog pritiska i koriste dva svjetlosna filtera. Jedan od njih se nalazi ispred kondenzatora

leglo, ističe područje spektra izvora svjetlosti, što uzrokuje luminescenciju objekta; drugi, koji se nalazi između sočiva i okulara, emituje luminescentno svjetlo. Na osnovu fotoluminiscencije stvoreni su izvori svjetlosti čiji je spektar konzistentniji s dnevnom svjetlošću nego kod žarulja sa žarnom niti. Ovo je važno i za industrijske i za higijenske svrhe. U takvim fluorescentnim lampama, koje se nazivaju fluorescentne lampe, dolazi do električnog pražnjenja u pari žive pri niskom pritisku (elektroluminiscencija). Na unutrašnjoj površini lampe, napravljenoj od običnog stakla (sl. 29.16), taložen je tanak sloj fosfora koji fotoluminescira pod uticajem zračenja živinih para.

Promjenom sastava fosfora može se izabrati najprikladniji fotoluminiscencijski spektar. Na sl. 29.17 prikazuje jedan od mogućih spektra, intenzivne linije odgovaraju spektru para čije zračenje djelimično prolazi kroz fosfor.

29.8. KEMILUMINESCENCIJA

Luminiscencija koja prati hemijske reakcije naziva se hemiluminiscencija.

Emituju ga ili direktno produkti reakcije, ili druge komponente koje se pobuđuju kao rezultat prijenosa energije na njih iz produkta reakcije.

Sjaj hemiluminiscencije, tj. broj kvanta emitovanih u jedinici vremena raste sa povećanjem brzine reakcije i efikasnosti hemiluminiscencije - prosečan broj kvanta po jednom reakcijskom aktu. Hemiluminiscencija se može koristiti za određivanje sastava supstance (hemiluminiscentna analiza).

Posebna manifestacija hemiluminiscencije - sjaj koji prati hemijske reakcije bioloških objekata - naziva se biohe-

miluminiscencija.Zračenje trulih, krijesnica - primjeri biokemiluminiscencije (bioluminiscencije).

Među biofizičarima se naziva bioluminiscencija niskog intenziteta super slabo svjetlo, aktivno su ga proučavali brojni naučnici, posebno Yu.A. Vladimirov.

Pokazano je da se u biološkim sistemima hemiluminiscencija javlja tokom rekombinacije slobodnih radikala lipid peroksida: RO 2 +RO 2 - pobuđeni proizvod - produkt + + kvant hemiluminiscencije.

Intenzitet hemiluminiscencije se značajno povećava kada se biološkim sistemima koji se proučavaju dodaju, na primjer, soli željeza. Na sl. 29.18 pokazuje povećanje intenziteta luminiscencije u suspenziji mitohondrija u vrijeme uvođenja obojenog željeza. Ako se sličan eksperiment uradi s krvnom plazmom u slučaju gnojnog apendicitisa ili kolecistitisa, onda se može primijetiti da je sjaj u prvom slučaju znatno slabiji. Stoga se hemiluminiscencija može koristiti kao dijagnostička metoda.

29.9. FOTOBIOLOŠKI PROCESI

Fotobiološkim procesima nazivamo procese koji počinju apsorpcijom svjetlosnih kvanta biološki funkcionalnim molekulima, a završavaju odgovarajućom fiziološkom reakcijom u tijelu ili tkivima.

Važna karakteristika uticaja svetlosti na tok bioloških procesa je spektar fotobiološkog delovanja – zavisnost fotobiološkog efekta od talasne dužine delujuće svetlosti. Akcioni spektri omogućavaju da se odredi koja oblast spektra najefikasnije izaziva biološki proces, kao i da se otkrije mehanizam takvog efekta.

Lekaru je potrebno razumevanje ovih procesa kako bi objasnio mehanizam vida (videti 29.10) i procenio različite efekte UV zračenja (videti 27.7).

Nakon što je apsorbirao kvant svjetlosti (vidjeti 29.2), molekul se pobuđuje. Energija pobude može se prenijeti na druge molekule. Za fotobiološki proces je bitno da se kao rezultat takve ekscitacije dogodi hemijska transformacija (fotokemijska reakcija). Nakon primarnog fotohemijskog čina, reakcije se razvijaju tako da prisustvo svjetlosti nije neophodno (mračne reakcije), na kraju dovode do odgovora biološkog sistema na svjetlost.

Razmotrimo kvantitativno početne faze ovog procesa: apsorpciju svjetlosti i primarnu fotohemijsku reakciju.

Slično kao u 29.2, uvodimo koncept efektivnog presjeka apsorpcije fotonskog molekula σ. Razlika u odnosu na izvođenje Bouguer-Lambert-Beerovog zakona je barem sljedeća: prvo ćemo uzeti u obzir smanjenje broja aktiviranih molekula, budući da izlaganje svjetlosti uzrokuje njihovu transformaciju; drugo, razmotrite dovoljno tanak sloj razrijeđenog rastvora, to će nam omogućiti da očitamo intenzitet svjetlosti I 0 konstantan i isti kroz cijelo rješenje.

Elementarno smanjenje koncentracije dn molekula pod djelovanjem svjetlosti proporcionalno je:

Koncentracije n molekule;

Efektivni presjek apsorpcije σ;

Vrijeme ozračivanja dt;

Broj fotona koji u jedinici vremena prođu kroz 1 m 2 površine ćelije (I 0):

Evo I 0 t = D0- doza zračenja, i σφ χ = σ χ - površina poprečnog presjeka molekule za fotokemijsku transformaciju, proporcionalna je vjerovatnoći takve interakcije fotona s molekulom, uslijed koje će doći do fotokemijske reakcije .

Da biste pronašli φ χ, nacrtajte zavisnost ln (" 0 / n t) = f(D0) i duž nagiba prave linije [vidi (29.24)] odredite ovu vrijednost (slika 29.19).

U fotohemiji, zavisnost σ χ (λ) naziva se akcijski spektar. Ovaj odnos se može pronaći pomoću odnosa σ χ = σφχ . Poenta je da kvantna

Ukupni prinos fotohemijskih reakcija u rastvorima ne zavisi od talasne dužine svetlosti koja deluje (φ χ = const). Fizički, to znači da će bez obzira na energiju pobude hv, molekul biti pobuđen (vidjeti 28.9) i moći će započeti fotokemijsku transformaciju. Uzimajući ovo u obzir, možemo zaključiti da spektar djelovanja σ χ (λ) i spektar apsorpcije (vidi 29.2) - ovisnost σ (λ) - imaju isti oblik, budući da se razlikuju samo po konstantnom faktoru φ χ . Takve

Ova karakteristika omogućava da se upoređivanjem spektra fotobiološkog delovanja sa spektrima apsorpcije različitih biohemijskih jedinjenja utvrdi mehanizam delovanja svetlosti, a posebno UV zračenja.

Tako je, na primjer, utvrđeno da je krivulja smrti bakterija pod djelovanjem UV zračenja (spektar fotobiološkog djelovanja) slična spektru apsorpcije nukleinskih kiselina. To je dalo osnovu za zaključak da je smrt bakterija posljedica oštećenja nukleinskih kiselina.

U 26.4 razmatrane su karakteristike dijela oka koji provodi svjetlo. Percepcija svjetlosti okom je fotobiološki proces, stoga se ovdje razmatra mehanizam rada aparata za percepciju svjetlosti.

29.10. BIOFIZIČKE OSNOVE VIZUELNE RECEPCIJE

Vizualne ćelije osetljive na svetlost - štapići i čunjevi - igraju različite uloge u pobuđivanju svetlosnog senzacija. Štapovi su osjetljiviji na svjetlost, ali ne razlikuju boje. Češeri razlikuju boje; osim toga, uz dovoljnu svjetlinu objekta, osjetljivi su na percepciju detalja slike, pa je rezolucija oka posljedica postavljanja čunjića na mrežnicu (vidi 26.4).

Štapovi pripadaju aparatu sumraka i akromatskog vida, a čunjevi - dan i boju.

Razmotrite prvo neka opća pitanja o osjetljivosti oka na svjetlost i boju.

Osetljivost oka na svetlost je recipročna vrednost praga osvetljenosti, tj. minimalna svjetlina koja stvara vizualni osjećaj pod datim uvjetima gledanja.

Svjetlosna osjetljivost oka varira u širokom rasponu zbog vida adaptacija- sposobnost oka da se prilagodi različitim svjetlinama. Adaptacija se vrši na sljedeće načine:

1) promenom prečnika zenice u rasponu od 2 do 8 mm, čime se svetlosni tok menja za 16 puta;

2) smanjenje koncentracije nerazložene fotosenzitivne supstance;

3) zaklanjanje čunjeva i štapića tamnim pigmentom smeštenim u žilnici i sposobnim da se pomera prema staklastom telu u procesu adaptacije;

4) promena stepena učešća štapića i čunjeva u pobudi svetlosnog osećaja, u zavisnosti od osvetljenosti objekta.

Adaptacija omogućava oku da normalno funkcionira u rasponu svjetline od 10 -7 do 10 5 cd/m 2 . Donja granica, odnosno apsolutni prag svjetlosne osjetljivosti oka s potpunom adaptacijom na tamu, je oko sto fotona u sekundi. Od toga, samo oko 10% se apsorbira od strane molekula vizualnog pigmenta u retinalnim štapićima, a ostatak se reflektira od rožnice, apsorbira optički medij oka, ili prolazi kroz mrežnicu i apsorbira se u stanicama retine. pigmentni epitel. Prisutnost pigmentnog epitela ispod mrežnice značajno smanjuje refleksiju i raspršivanje svjetlosti sa stražnje stijenke oka. Ljudsko oko reaguje na elektromagnetne talase talasne dužine od približno 400 do 760 nm. Spektralnu osjetljivost oka karakterizira vidljivost radijacije:

Maksimum krivulje vidljivosti dnevnog vida odgovara maksimumu sunčevog zračenja koje je prošlo kroz atmosferu i pogodilo površinu Zemlje (vidi 27.4), što pokazuje svrsishodnost organizacije ljudskog oka.

Štap se sastoji (sl. 29.21) od vanjskog segmenta osjetljivog na svjetlost 1 i domaćem segmentu 2, koji sadrže jezgro i mitohondrije, koji osiguravaju funkcionisanje ćelije. Unutar vanjskog segmenta su tanki diskovi 3 oko 6 µm u prečniku. Svaki disk se sastoji od dvoslojne membrane i ima oblik spljoštenog liposoma (vidjeti 13.1). Vizualni pigment je ugrađen u vizuelne diskove.

ment - rodopsin. Broj diskova u jednoj ćeliji mjeri se u nekoliko stotina. Iz unutrašnjeg segmenta postoji veza sa nervnim vlaknom.

Rodopsin je složen protein molekulske težine oko 40 000. Promjer njegovog molekula je 4 nm, ako se njegov oblik uzme kao sferni.

Rodopsin se sastoji od proteina opsina i grupe hromofora - retinala.

Retinal, općenito govoreći, može imati nekoliko prostornih izomera, ali samo P-cisretinal se vezuje za opsin (slika 29.22). Pod dejstvom svetlosti, retinal se odvaja od rodopsina i prelazi u najstabilniju konformaciju kontinuiranog trans izomera.

Kao rezultat promjena u strukturi retine, nastaju promjene na membrani diska povezane s promjenom položaja rodopsina. Rodopsin prelazi sa interdiskalne hidrofilne površine u unutrašnju žirofobnu fazu membrane.

Ako je u mraku membrana diska nepropusna za Na+, K+, Ca 2+, itd., tada kao rezultat osvjetljenja, konformacijska promjena rodopsina dovodi do promjene stanja membrane: propusnost za neke ione se povećava . U ovim procesima, funkcija rodopsina je da pod dejstvom svetlosti pospešuje stvaranje pora u diskovima za neke jone i zatvara kanale na spoljnoj membrani za jone natrijuma. To dovodi do pojave potencijala koji izazivaju nervni impuls. Karakteristika vanjskih segmenata štapića retine je da u mraku potencijal ima natrijevu prirodu, za razliku od potencijala drugih stanica (vidi 13.7). Kao rezultat promjene strukture rodopsina pod djelovanjem svjetlosti, propusnost membrana za natrij naglo opada, a za druge ione ne.

se mijenja. U ovom slučaju, propusnost za kalij dolazi na prvo mjesto, potencijal postaje kalijumske prirode i mijenja se njegov polaritet. To dovodi do činjenice da, za razliku od svih drugih poznatih stanica, na citoplazmatskoj membrani vanjskih segmenata štapića potencijal ima znak plus iznutra i znak minus izvana.

Pigment češera također sadrži P-cisretinal, poput rodopsina, ali je proteinski dio pigmenta drugačiji, pa se pigmenti čunjeva nazivaju jodopsini.

Mjerenje spektra apsorpcije pojedinih varijanti čunjeva pokazalo je da svaki konus sadrži određenu vrstu jodo-psina. Ljudski konusni jodopsini imaju maksimume apsorpcije na 445, 535 i 570 nm (slika 29.23). Ove informacije su zasnovane na trokomponentnoj teoriji vida boja. Kod nekih genetskih bolesti poremećena je sinteza proteina jodopsina i oko ne može razlikovati crvenu i zelenu boju (sljepilo za boje).

Apsorpciona kriva

γ-zračenje uključuje elektromagnetne talase čija je talasna dužina mnogo manja od međuatomskih udaljenosti, tj. λ< а, где а ~ 10 -8 см. Таким образом, нижний предел энергии γ-квантов получается Е = hν = hc/λ. = 12 кэВ.
Poput nabijenih čestica, tok fotona se apsorbira materijom uglavnom zbog elektromagnetne interakcije. Međutim, mehanizam ove apsorpcije je bitno drugačiji. Dva su razloga za to:
1) fotoni nemaju električni naboj i, prema tome, na njih ne utiču dugoročne Kulonove sile. Dakle, prilikom prolaska kroz supstancu, fotoni se relativno rijetko sudaraju s elektronima i jezgrama, ali u sudaru u pravilu naglo skrenu sa puta, tj. praktički ispasti iz zraka;
2) fotoni imaju nultu masu mirovanja i stoga ne mogu imati brzinu drugačiju od brzine svjetlosti. A to znači da u okruženju ne mogu usporiti. Oni se ili apsorbuju ili raspršuju, uglavnom pod velikim uglovima. Kada fotonski snop prolazi kroz supstancu, intenzitet ovog snopa postepeno slabi kao rezultat interakcije sa medijumom. Nađimo zakon po kojem dolazi do ovog slabljenja, tj. kriva apsorpcije fotona u materiji.

Neka fotonski tok J 0 cm -2 s -1 pada na površinu ravne mete okomito na nju (slika 3.1), a debljina mete x (cm) je toliko mala da se javlja samo jedna interakcija. Promjena intenziteta ovog fluksa dJ kada fotoni prolaze kroz sloj materije dx proporcionalna je vrijednosti fluksa J na dubini ovog sloja, debljini sloja dx (cm), gustini atoma n (cm - 3) i efektivni presjek interakcije fotona σ (cm 2):

Rješavanje ove jednadžbe daje krivulju apsorpcije

J x \u003d J 0 e -σnx.

Obično su dva koncepta povezana sa apsorpcijom fotona u materiji.

1. Koeficijent linearne apsorpcije τ = nσ; [τ] = cm -1 i J x = J0e -τx . Dakle, τ je debljina supstance u centimetrima pri kojoj je fluks fotona oslabljen za faktor e.
2. Koeficijent apsorpcije mase μ = τ/ρ = σn/ρ, gdje je ρ (g/cm) gustina tvari. Dimenzija μ se dobija na sledeći način: [μ] = cm 2 /g. U ovom slučaju, promjena fluksa fotona ima oblik:

J x \u003d J 0 e -μxρ,

gdje je xρ (g / cm 2) debljina tvari, mjerena u jedinicama mase. Značenje je isto - ovo je takva debljina tvari u g / cm 2, na kojoj je protok oslabljen za e puta.

Koeficijent apsorpcije u potpunosti karakterizira prolazak fotona kroz materiju. Zavisi od svojstava medija i energije fotona. Ako do apsorpcije dolazi zbog nekoliko različitih procesa, od kojih svaki ima svoj koeficijent apsorpcije, μ i , τ i ,..., tada je ukupni koeficijent apsorpcije μ = ∑μ i i τ = ∑τ i
Apsorpcija fotona materijom se uglavnom dešava zbog tri procesa: fotoelektričnog efekta, Komptonovog efekta i proizvodnje parova elektron-pozitron u Kulonovom polju jezgra.

3.2 Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je oslobađanje elektrona koji se nalaze u supstanciji u vezanom stanju, pod uticajem fotona. Razlikovati unutrašnji i spoljašnji fotoelektrični efekat.
Unutrašnji fotoelektrični efekat je prelaz elektrona pod uticajem elektromagnetno zračenje unutar poluvodiča ili dielektrika iz vezanih u slobodna stanja bez izlaza prema van.
Eksterni fotoelektrični efekat se opaža u čvrstim materijama, gasovima, na pojedinačnim atomima i molekulima - to je emisija elektrona prema van kada se fotoni apsorbuju. U ovim predavanjima će se govoriti samo o vanjskom fotoelektričnom efektu. Fotoelektrični efekat je proces u kojem atom apsorbuje foton i emituje elektron. U ovom slučaju, upadni foton stupa u interakciju s elektronom vezanim u atomu i prenosi mu energiju. Elektron prima kinetičku energiju Te i napušta atom, dok atom ostaje u pobuđenom stanju. Stoga je fotoelektrični efekat uvijek praćen karakterističnom rendgenskom emisijom atoma ili emisijom Augerovih elektrona. Kod Augerovog efekta dolazi do direktnog prijenosa energije pobuđivanja atoma na jedan od njegovih elektrona, koji kao rezultat napušta atom. Zakoni održanja energije i momenta u fotoelektričnom efektu mogu se predstaviti kao:

hν = T e + I i + T i, i

gdje , − kinetička energija jezgra trzanja; I i - energija jonizacije
i-ta ljuska atoma; . Budući da je obično hν >> I i + T i, tada je energija fotoelektrona T e ≈ hν, te je, shodno tome, energetski spektar fotoelektrona blizak monohromatskom.
Iz zakona održanja energije i impulsa slijedi da se fotoelektrični efekat ne može dogoditi na slobodnom elektronu. Dokažimo ovo "protivurečno": pretpostavimo da je takav proces moguć. Tada će zakoni očuvanja izgledati ovako

Odavde dobijamo jednačinu 1 - β = √1 - β 2 , koja ima dva korijena β = 0 i β = 1. Prvi od njih odgovara T e = hν = 0, a drugi nema fizičkog čula za čestice čija je masa drugačija od nule.
Ovaj dokaz izgleda još jasnije za nerelativistički slučaj: hν = m e v 2 /2 i hν/c = m e v. Rješenje sistema dovodi do izraza v = 2c, što ne može biti.
Dakle, slobodni elektron ne može apsorbirati foton. Za fotoelektrični efekat bitna je veza elektrona sa atomom na koji se prenosi dio impulsa fotona. Fotoelektrični efekat je moguć samo na vezanom elektronu. Što je energija vezivanja elektrona sa atomom niža u poređenju sa energijom fotona, to je manja verovatnoća fotoelektričnog efekta. Ova okolnost određuje sva glavna svojstva fotoelektričnog efekta:

A) tok poprečnog presjeka sa energijom fotona - σ f (hν) , b) omjer vjerovatnoća fotoelektričnog efekta na različite elektronske školjke, c) zavisnost poprečnog presjeka od Z medija.

Sl.3.2. Zavisnost efektivnog presjeka fotoelektričnog efekta od energije fotona

a) Slika 3.2 prikazuje zavisnost efektivnog poprečnog presjeka fotoelektričnog efekta od energije fotona. Ako je energija fotona velika u poređenju sa energijom vezivanja elektrona u atomu, tada se poprečni presjek fotoelektričnog efekta φ brzo smanjuje s povećanjem energije fotona. Za ja i<< hν < m e c 2 σ ф ~ (hν) -3.5 .
Kada je hν > m e c 2 σ f ~ (hν) -1 .
Kako hν opada, tj. Kako se povezanost elektrona I k /hν povećava, poprečni presjek procesa brzo raste sve dok energija fotona ne postane jednaka energiji I k . Za hν< I k фотоэффект на K-оболочке атома станет невозможным, сечение фотоэффекта будет определяться только взаимодействием фотонов с электронами L, М и др. оболочек. Но эти электроны связаны с ядром слабее, чем
K-elektroni. Stoga, kada jednake energije fotona, vjerovatnoća fotoelektričnog efekta na L-elektrone je mnogo manja nego na K-elektrone. U zavisnosti od σ f (hν), primećuje se iznenadni skok. Zatim u
hν< I k снова σ ф начинает расти с убыванием hν, так как возрастает относительная связность электрона L/hν, и т.д.
b) Formule za poprečni presjek fotoelektričnog efekta na K-elektrone, dobijene metodama kvantne elektrodinamike i potvrđene eksperimentom, su:

Omjeri poprečnih presjeka fotoelektričnog efekta na različitim školjkama dobivaju se na sljedeći način:

Stoga se pri izračunavanju ukupnog poprečnog presjeka fotoelektričnog efekta obično koristi relacija:

c) Iz iste formule može se vidjeti jaka ovisnost σ f od Z medija: σ f ~ Z . To je razumljivo, jer su u lakim elementima elektroni slabije vezani Kulonovskim silama jezgra nego u teškim. U teškim supstancama postoji fotoelektrični efekat glavni razlog apsorpcija mekih fotona.
Ugaona raspodjela fotoelektrona dobijena je proračunom iz formule za diferencijalni poprečni presjek. Iz toga slijedi da su fotoelektroni raspoređeni simetrično prema zakonu ~ cos 2 φ u odnosu na smjer električni vektor upadnog elektromagnetnog talasa. Osim toga, kutna distribucija bitno ovisi o energiji fotoelektrona. U nerelativističkom slučaju T e<< m е c 2 (β << 1) интенсивность фотоэлектронов максимальна в плоскости поляризации векторов и фотона, т.е. в плоскости, перпендикулярной направлению движения фотона. При больших энергиях Т е >m e c 2 ugao pod kojim je intenzitet fotoelektrona maksimalan opada, a što je veća energija elektrona, manji je ugao njihovog odlaska u odnosu na pravac kretanja fotona, ugaona raspodela se izdužuje prema napred.

3.3. Comptonov efekat

Interakcija fotona sa materijom može dovesti do njihovog rasipanja bez apsorpcije. Rasejanje može biti dva tipa: 1) bez promene talasne dužine (koherentno rasejanje, Thomson, klasično) i 2) sa promenom talasne dužine (nekoherentno, Comptonovo rasejanje).

1. Thomsonovo raspršivanje se dešava ako je hν< I i (λ ~10 -8 см). В этом случае атом воспринимается фотоном "как единое целое", и фотон обменивается энергией и импульсом со всем атомом. Так как масса атома очень велика по сравнению с эквивалентной массой фотона hν/c , то отдача в этом случае практически отсутствует. Поэтому рассеяние фотонов происходит без изменения их энергии, т.е. когерентно.
Može se smatrati da su izvor raspršenog zračenja vezani elektroni atoma, koji pod djelovanjem upadnog zračenja dolaze u rezonantne vibracije i kao rezultat toga emituju fotone iste frekvencije. Poprečni presek Thomsonovog rasejanja zavisi od ugla rasejanja fotona 0:

σ(θ) = 0,5re 2 (l + cos 2 θ),

gdje je r e 2 = e 2 /m e c 2 = 2,8 10 -13 cm klasični radijus elektrona. Integrirajući preko svih θ, može se dobiti poprečni presjek za ukupno Thomsonovo raspršenje. Efektivni poprečni presek Thomsonovog rasejanja, izračunat po 1 elektronu, jednak je:

σ T = (8/3)πr e 2 = 0,66 barn,

gdje je σ T univerzalna konstanta i ne ovisi o frekvenciji upadnog zračenja.

2. Comptonovo raspršivanje javlja se kada hν >> I i . U ovom slučaju, svi elektroni atoma mogu se smatrati slobodnima.

Comptonovo raspršenje nastaje kao rezultat elastičnog sudara fotona s elektronom, a foton prenosi dio svoje energije i impulsa na elektron. Stoga su energetske i ugaone karakteristike fenomena u potpunosti određene zakonima održanja energije i impulsa za elastični udar (slika 3.3):

hν = hν " + T e,

gdje i kinetička energija i impuls elektrona trzanja.

Zajedničko rješenje ovih jednadžbi omogućava da se dobiju energije raspršenog fotona hν " i povratni elektron Te u zavisnosti od ugla raspršenja fotona θ:

Iz ovih odnosa proizilazi niz važnih posljedica.

1. Iz prve relacije lako je pronaći koliko se dužina elektromagnetnog talasa promenila tokom Comptonovog rasejanja (Comptonova formula):

gdje je λ 0 = h / m e c = 2,426 10 -10 cm Comptonova valna duljina elektrona. Iz Comptonove formule slijedi:

A) pomak talasa Δλ ne zavisi od veličine talasne dužine; b) pomak Δλ, određen samo uglom raspršenja fotona θ: pri θ = 0 Δλ = 0 (tj. nema rasejanja), pri θ = π/2 Δλ = λ 0 i pri θ = π, Δλ = 2λ 0 (maksimalno a mogući pomak se dešava tokom povratnog raspršenja).

2. Energetski spektar fotona dobijen kao rezultat Comptonovog rasejanja snopa monoenergetskih γ-kvanta ispada neprekidan u energetskom opsegu od

pri θ = π do hν max = hν pri θ = 0.

3. Kao rezultat Comptonovog raspršenja monoenergetskih γ-kvanta, dobija se kontinuirani energetski spektar povratnih elektrona u rasponu od

T e min = 0 pri θ = 0 do za θ = π.

4. Odnos između uglova izlaza raspršenog fotona θ i elektrona trzanja φ (slika 3.3) može se naći iz zakona održanja impulsa napisanog za longitudinalne i poprečne komponente (u odnosu na smjer kretanja primarnog fotona) :

Transformirajmo drugu jednačinu:

Odavde nalazimo:

Iz dobijene relacije može se vidjeti da promjena ugla raspršenja fotona u intervalu 0 ≤ θ ≤ π odgovara promjeni ugla emisije povratnog elektrona u intervalu π/2 ≥ φ ≥ 0. primarni foton .
Diferencijalni efektivni presjek za Comptonovo raspršenje prvi su izračunali O. Klein i I. Nishina 1929., a 1930. I. E. Tamm dobili su istu formulu na drugačiji način. Formula Klein-Nishina-Tamm ima oblik:

gdje je dσ K /dΩ diferencijalni efektivni poprečni presjek raspršenja fotona pod uglom θ u solidni ugao dΩ, a r e je klasični poluprečnik elektrona. Nakon zamjene vrijednosti hν " dobija se zavisnost diferencijalnog poprečnog preseka Comptonovog rasejanja samo od hν i od θ, a oblik zavisnosti poprečnog preseka od θ se menja sa energijom fotona. Za male vrijednosti hν:
dσ K /dΩ ~ 1 + cos 2 θ. Kako hν raste, sve veći broj fotona se raspršuje u smjeru "naprijed", a sa povećanjem primarne energije hν povećava se vjerovatnoća raspršenja pod malim uglovima (slika 3.4).
Ukupni poprečni presjek se nalazi nakon integracije preko svih θ:

gdje je σ T = (8π/3)r e 2 Thomsonov poprečni presjek raspršenja, a ƒ(hν/m e c 2)< 1 и возрастает с увеличением hν.
Za male vrijednosti hν (I K<< hν/m e c 2 <<1), σ K ~ σ T (1 − 2hν/m e c 2) → σ T sa opadanjem hν.

Budući da se u 1 cm sredine nalaze Zn elektroni, onda će ukupna vjerovatnoća Comptonovog raspršenja na stazi od 1 cm u tvari (Z, A, ρ) biti:

Dakle, vjerovatnoća Comptonovog raspršenja po 1 cm puta je obrnuto proporcionalna energiji fotona i proporcionalna Z tvari (presjek po 1 elektronu ne ovisi o Z tvari, a svaki atom sadrži Z elektrona). Slika 3.5 prikazuje grafikon σ K /σ T u odnosu na energiju fotona. Ova slika prikazuje u istim jedinicama poprečni presjek fotoelektričnog efekta u različitim supstancama. Poređenje ovisnosti pokazuje da s povećanjem energije fotona vjerovatnoća Comptonovog efekta postaje mnogo veća od poprečnih presjeka fotoelektričnog efekta.

Sl.3.5. Ovisnost ukupnih poprečnih presjeka Comptonovog raspršenja (puna kriva) i fotoelektričnog efekta u smislu 1 elektrona (isprekidana linija za C, Al, Cu i Pb) o energiji fotona

Comptonovo raspršenje se može dogoditi ne samo na elektronima, već i na drugim česticama koje imaju električni naboj. Međutim, vjerovatnoća takvog efekta je vrlo mala. Na primjer, Comptonovo raspršenje na jezgrama atoma je zanemarivo zbog činjenice da jezgra imaju vrlo malu vrijednost svog klasičnog elektromagnetnog radijusa Ze 2 /m i s 2 .
Postoji još jedan fenomen koji se zove inverzni Comptonov efekat. Javlja se tokom elastičnog raspršenja fotona relativističkim elektronima. U ovom slučaju, energija i impuls fotona će se povećati zbog energije i impulsa ciljnih elektrona.

3.4. Rađanje parova elektron-pozitron

Pri dovoljno visokoj energiji fotona (hν > 2m e c 2) postaje moguć proces formiranja para u kojem se foton apsorbira u polju jezgra, a rađaju se elektron i pozitron. Proračun pomoću QED-a i iskustvo pokazuju da se ovaj proces ne odvija unutar jezgra, već u njegovoj blizini, u području veličine Comptonove talasne dužine λ 0 = 2,4 10 -10 cm. Pošto ova interakcija fotona sa poljem jezgro proizvodi elektron i pozitron, tada ovaj proces ima energetski prag, tj. javlja se ako je hν > 2m e c 2 . Zakoni održanja energije i impulsa mogu se zapisati kao:

hν = 2m e c 2 + T − + T + + T i,

gdje su β − i β + relativne brzine elektrona i pozitrona, T − i T + su njihove kinetičke energije, a T i i p i su energija i impuls jezgra trzanja.
Na osnovu zakona održanja energije i impulsa, može se pokazati da je formiranje para elektron-pozitron od strane fotona u vakuumu nemoguće: energija i zamah moraju nužno biti raspoređeni između tri čestice: elektrona, pozitrona i , na primjer, jezgro. Ako pretpostavimo da se rađanje para može dogoditi u vakuumu (T i = p i = 0), tada zakoni održanja imaju oblik:

hν = 2m e c 2 + T − + T + i

Prva od ovih jednačina može se napisati u obliku:

a njegova nekompatibilnost sa drugom jednačinom odmah postaje očigledna.
U konkretnom slučaju kada je T − = T + = 0, dobija se sistem kontradiktornih jednačina: hν = 2m e c 2 i
hν/c = 0. Dakle, da bi zakoni održanja bili zadovoljeni, potrebna je treća čestica u čijem polju se odvija proces proizvodnje para i koja poprima višak zamaha. Takva čestica može biti ne samo jezgro, već i, na primjer, elektron. Ali ako je jezgro T i \u003d p i 2 / 2m i mala vrijednost, tada će elektron imati vrlo veliki trzaj, a elektron trzanja može primiti energiju istog reda kao i komponente para. U ovom slučaju, prag procesa će značajno premašiti 2m e c 2 . Prag energije fotona za formiranje para u polju elektrona je 4m e c 2 =2,044 MeV.
Teorijski proračuni zavisnosti poprečnog preseka proizvodnje para o energiji γ-zraka dovode do prilično komplikovanog oblika. Međutim, za energetski raspon 5m e c 2< hν < 50m e c 2 эта зависимость может быть представлена в виде:

Pri energiji fotona hν< 5m e c 2 и hν >50m e c 2 poprečni presjek raste sporije. Za hν > 50m e c 2, rast poprečnog presjeka je ograničen ekraniranjem Kulombovog polja jezgra atomskim elektronima. U graničnom relativističkom slučaju, za hν > 10 3 m e c 2, poprečni presjek ne zavisi od energije:

σ P ~ 0,08 Z 2 r e 2 = 0,63 10 -26 Z 2 cm 2.

Opšti karakter zavisnosti poprečnog preseka od energije fotona prikazan je na Sl. 3.6.

Slika 3.6 Zavisnost poprečnog preseka proizvodnje para od energije fotona

Proces proizvodnje para je sličan procesu kočnog zračenja. Stoga su izrazi koji opisuju ova dva procesa po svojoj strukturi vrlo slični: u slučaju potpunog skriniranja, vjerovatnoća da će foton s energijom E " = hν na putu od 1 cm formira elektron sa energijom E u intervalu (E, E + dE) i pozitron sa energijom (E " − E) će:

Vjerovatnoća formiranja para ne ovisi o energiji elektrona E i pozitrona E " − E, i to je razumljivo, jer u procesu njihovog formiranja foton nestaje i raspodjela energije između komponenti para je jednako vjerovatna. Znajući w n , može se naći puna vjerovatnoća formiranje para na putu od 1 cm:

Dakle, u slučaju potpunog skriniranja, ukupni poprečni presjek proizvodnje para ne zavisi od energije fotona.

3.5. Drugi procesi interakcije fotona sa materijom

1. Nuklearni fotoelektrični efekat - apsorpcija γ-kvanta jezgrom i emisija nukleona, tj. (γ,n)-reakcija. Prag nuklearnog fotoelektričnog efekta je -6-10 MeV, tj. red energije veze nukleona u jezgrima. Poprečni presjek nuklearnog fotoelektričnog efekta σ yf ~ Z i mnogo je manji po veličini od presjeka tri razmatrana efekta.

2. Ako je energija fotona mnogo veća od energije vezivanja nukleona u jezgrima, tada može doći do fotodezintegracije jezgara emisijom više čestica. Na primjer, (γ,2r), (γ,n,2r) su reakcije. Presjek takvog procesa je σ i ~ 10 -26 cm.

3. Ako je hν > 2m μ s 2 , tj. hν > 200 MeV, tada u polju jezgra γ-kvanta mogu formirati μ − μ + -parovi, slično kao i e − e + -parovi.

4. Ako je hν > m π s 2 , tj. hν >140 MeV, može doći do fotogeneracije piona sa poprečnim presekom od ~10 -28 A cm 2 .

Dakle, apsorpcija γ-kvanta zbog svih navedenih procesa je zanemarljivo mala u odnosu na σ P.

3.6. Ukupni presjek za interakciju fotona sa materijom

Slabljenje fotonskog fluksa pri prolasku kroz materiju uglavnom je određeno trima procesima: fotoelektričnim efektom, Comptonovim efektom i formiranjem parova u Kulonovom polju atomskih jezgara. Kao rezultat toga, u formuli J = J0 e -σnx, dio o je zbir dijelova ovih procesa:
σ = σ f + σ K + σ P, a linearni i maseni koeficijenti apsorpcije su:
τ = σn = τ f + τ K + τ P i μ = σn/ρ = μ f + μ K + μ P. Svaki od pojmova različito zavisi od energije fotona i svojstava supstance, pa je relativna uloga pojedinca termini mogu veoma varirati. Dakle, u aluminijumu (slika 3.7) u širokom rasponu energija fotona od 50 keV< hν <15 МэВ преобладает комптон-эффект, а при hν >15 MeV - proizvodnja u paru. U olovu, međutim, fotoelektrični efekat (slika 3.7) je dominantan do energije od 0,5 MeV, a za hν >5 MeV glavnu ulogu igra proces proizvodnje para.

Sl.3.7. Ovisnost masenog koeficijenta apsorpcije fotona od njihove energije u aluminijumu, bakru i olovu

U zaključku treba napomenuti važnu okolnost: sva tri tipa interakcije fotona sa materijom dovode do pojave brzih elektrona.

3.7. Anihilacija pozitrona u materiji

Riječ "uništenje" znači "nestanak", "pretvaranje u ništa". Ovo je proces u kojem se čestica i njena antičestica pretvaraju u elektromagnetno zračenje (fotone) ili druge elementarne čestice (leptone, kvarkove). Ovo je proces suprotan proizvodnji parova γ-kvantima. Oba procesa su jednostavno međusobne transformacije.
Ove međusobne transformacije kontroliraju osnovni zakoni održanja: zakon održanja energije, količine gibanja, ugaonog momenta, električnog naboja itd.
Procese stvaranja i anihilacije čestica teoretski je 1931. godine predvidio P.A. Dirac. Slijedili su iz teorije elektrona koji je stvorio. Prema Diracu, kombinuj kvantna mehanika(do tada već potvrđeno eksperimentom) s teorijom relativnosti moguće je samo ako, uz stanje elektrona s pozitivnom energijom, uvedemo i stanje elektrona s negativnom energijom (ili pozitivnog "elektrona" s pozitivnom energijom ).
Godine 1932. K.D. Anderson je, istražujući sastav kosmičkih zraka koristeći komoru oblaka smještenu u magnetsko polje, dobio eksperimentalne dokaze za postojanje pozitrona ( nobelova nagrada, 1936). Po znaku zakrivljenosti traga čestice utvrđeno je da je čestica pozitivna, a po promjeni zakrivljenosti (nakon što je prošla 6 mm olova) i po gustini zrna u tragu, masa i impuls čestice su određene. Godine 1933. Frederic i Irene Joliot-Curie su prvi put dobili fotografiju komore oblaka sa tragovima elektrona i pozitrona proizvedenih gama kvantom, a iste godine F. Joliot-Curie je prvi uočio anihilaciju elektrona i pozitrona na dva fotona.
Kako dolazi do anihilacije pozitrona? Jednom u materiji, brzi pozitroni se ponašaju na isti način kao i elektroni, tj. pri T e > ε oni doživljavaju otpor zračenja, a pri T e< ε − ионизационные потери и, как правило, почти полностью теряют свою скорость. В дальнейшем начинается их диффузия в веществе до встречи со свободными или связанными в атомах электронами и последующая аннигиляция позитронов. Перед аннигиляцией обе частицы (электрон и позитрон) чаще всего находятся в состоянии, когда их моменты количества движения равны нулю (S-состояние). Dalja sudbina njihova zavisna od međusobne orijentacije unutrašnjih momenata momenta (spinova) i od toga da li je elektron slobodan ili u vezanom stanju.
Kada se sretnu elektron i pozitron, ukupna energija, uključujući energiju mirovanja, gotovo u potpunosti se pretvara u energiju elektromagnetnog zračenja (proces suprotan rađanju parova) i djelomično se prenosi na neko treće tijelo, na primjer, jezgro. Ako se anihilacija pozitrona dogodi na elektronu koji je dio atoma, tada je moguća anihilacija sa formiranjem jednog fotona, jer impuls nastalog fotona će biti kompenzovan trzajem atoma ili jezgra, a zakon održanja impulsa će biti ispunjen. Zakoni održanja energije i impulsa za ovu situaciju mogu se zapisati na sljedeći način: + = ∑ t /c.

Pozitron usporen do toplinske brzine može se anihilirati sa slobodnim elektronom, na primjer, s jednim od elektrona provodljivosti u metalu ili s jednim od vanjskih elektrona atoma. Ako pretpostavimo da su elektron i pozitron mirovali prije anihilacije, onda zakoni održanja imaju oblik:

2m e c 2 = ∑ t i 0 = ∑ t /c,

tj. anihilacija na slobodnom elektronu je moguća samo ako se najmanje dva fotona emituju istovremeno u suprotnim smjerovima. Pošto obe anihilirajuće čestice sa najvjerovatnije su u S-stanju, onda će rezultat anihilacije zavisiti od međusobne orijentacije unutrašnjeg impulsa čestica, tj. njihove spinove.
Ako su spinovi elektrona i pozitrona usmjereni u suprotnim smjerovima (+1/2ć i -1/2ć), pa je, prema tome, njihov ukupni spin jednak nuli, onda kao rezultat anihilacije (prema zakonu održanja paritet naboja), samo paran broj fotona sa spinovima , takođe usmerenih u suprotnim smerovima, pošto spin svakog fotona je jednak l ć. Kako je vjerovatnoća anihilacije w ~ α n , gdje je n broj fotona, najvjerovatnije je da će se roditi dva fotona (w ~ α 2) - tzv. dvofotonska anihilacija , manje vjerovatno - četiri fotona (w ~ α 4) itd.
Pošto su impulsi elektrona i pozitrona blizu nule, onda totalni impuls sistema je takođe jednak nuli, pa shodno tome fotoni nastali tokom anihilacije lete u suprotnim smerovima, a svaki od njih uzima polovinu energije sistema, tj. za 0,511 MeV.
Ako su spinovi elektrona i pozitrona paralelni, onda je njihov ukupni spin 1 ć. U ovom slučaju moguće je formiranje neparnog broja fotona, najvjerojatnije - tri, jer jedan foton ne može nastati zbog kršenja zakona održanja impulsa. Vjerovatnoća trofotonske anihilacije ~ a 3 , tj. mnogo manji (faktorom 1/137) od dvofotonskog. U prosjeku, trofotonska anihilacija se javlja u (0,2 - 0,3)% slučajeva.
Ako do uništenja dođe "u hodu", tj. u slučaju kada pozitron još nije izgubio brzinu, tada se fotoni raspršuju pod uglom, a ugao širenja fotona zavisi od njihove brzine. Pri visokim energijama anihilirajućih pozitrona, rezultirajući fotoni se emituju pretežno "naprijed" i "nazad" u odnosu na smjer kretanja pozitrona. Foton koji leti naprijed odnosi većinu energije pozitrona. Deo fotona koji leti unazad ima minimalnu energiju, tj. 0,511 MeV. Stoga, kada brzi pozitroni prolaze kroz materiju, formira se snop gama zraka koji leti u jednom smjeru, koji se koristi za dobivanje monokromatskih snopova visokoenergetskih fotona.
Pozitron je stabilna čestica, u vakuumu postoji beskonačno, ali u materiji se pozitron vrlo brzo anihilira. Prosječni životni vijek pozitrona u odnosu na proces anihilacije u čvrste materije ax je τ ~ 10 -10 s, a na vazduhu u normalnim uslovima τ ~ 10 -5 s.
Ponekad anihilacija prolazi kroz međufazu, kroz formiranje vezanog stanja elektrona i pozitrona, što se naziva pozitronijum . Pozitronijum, u kojem su spinovi pozitrona i elektrona antiparalelni (parapozitronijum), anihilira se u dva gama kvanta sa životnim vekom
τ ~ 1,25 10 -10 s. Pozitronijum sa paralelnim okretima čestica (ortopozitronijum) proizvodi tri gama kvanta sa životnim vekom od τ ~ 1,4·10 -7 s.
Fenomen anihilacije pozitrona danas se široko koristi za proučavanje svojstava elementarne čestice. Na sudarajućim snopovima pozitrona i elektrona u vakuumu akceleratorske komore dolazi do procesa anihilacije u kojem se oslobađa točno određena energija. Interakcija tačke i poznavanje njene energije koristi se za dokazivanje postojanja kvarkova i određivanje njihove mase.

Pitanja i zadaci za 3. poglavlje

1. Monohromatski snop fotona koji prolazi kroz aluminijumsku ploču debljine 2,9 cm je oslabljen za faktor 2,6. Odrediti τ, μ i σ.

Do sada je neutrino bio vrlo sličan fotonu. Poput fotona, neutrino je nenabijen, nema masu i uvijek putuje brzinom svjetlosti. Obe čestice imaju spin. Spin fotona je +1 ili -1, dok je spin neutrina +1/2 ili -1/2 (razlika nije značajna). Ipak, postoji zanimljiva, pa čak i iznenađujuća razlika između njih, koju će nam sljedeće rezonovanje pomoći da shvatimo.

Hajde da pratimo dva događaja obrnuta u vremenu. Neka osoba koja drži loptu baci je, recimo, na jug. Ako se lopta približi osobi, kreće unutra obrnuti smjer, čovjek podiže ruku i uhvati je. U prvom slučaju, slijed događaja je bio: 1) osoba drži loptu, 2) osoba baca loptu, 3) lopta leti prema jugu. Vremenski obrnuto kretanje imalo je drugačiji slijed događaja: 1) lopta leti na sjever, 2) osoba hvata loptu, 3) osoba drži loptu. Sve ovo jako podsjeća na film koji se prvo skroluje u jednom, a zatim u suprotnom smjeru.

Pokušajmo ovaj princip prenijeti na subatomski svijet.Ako elektron u atomu prijeđe iz pobuđenog u manje pobuđeno stanje, on emituje foton vidljive svjetlosti čija valna dužina ovisi o razlici energije između dva pobuđena stanja atoma. Isti atom može apsorbirati ili "uhvatiti" foton s potpuno istom talasnom dužinom, a elektron će prijeći iz manje pobuđenog stanja u više pobuđeno stanje. Svaki tip atoma emituje fotone određenih talasnih dužina (u zavisnosti od energije njegovih pobuđenih stanja) i, pod pravim uslovima, apsorbuje fotone sa potpuno istim talasnim dužinama.

Ipak, razlika između direktnog i vremenski obrnutog događaja nije samo promjena smjera i slijeda. Uhvatiti loptu je teže nego baciti. Bacanjem lopte pokrećete nepokretni predmet, a sve zavisi samo od vas. Sa svojim vremenom možete bolje uzeti loptu, pažljivo ciljati itd. Kada uhvatite loptu, morate imati posla sa predmetom koji se kreće i nema vremena za zijevanje. Kako se lopta približava, mora se brzo uhvatiti, jer će lopta ostati na dohvat ruke djelić sekunde. U tom deliću sekunde trebalo bi da imate vremena da ispružite ruku tačno u pravcu lopte i zaustavite je. Ako promašite, lopta će proletjeti.

Ista stvar se dešava sa atomom koji emituje foton. Takav atom emituje foton u vremenu koje je u prosjeku oko 10 -8 sec. Shodno tome, atom, da tako kažemo, upravlja svojim vremenom i emituje foton kada mu to odgovara.

Da bi apsorbirao isti foton, atomu je potrebno 10 -8 sec,što je prirodna posledica reverzibilnosti događaja. Ali atom ne može apsorbirati foton bez mnogo problema. Foton se kreće brzinom svjetlosti i ne ostaje blizu atoma tokom cijelog vremenskog intervala 10 -8 sec. Za takav vremenski period foton svjetlosti preleti u prosjeku 300 cm. Neki fotoni mogu putovati veću udaljenost, drugi manje. Jasno je zašto je atomima obično vrlo teško uhvatiti fotone: na kraju krajeva, veličina atoma je mnogo manja od ove udaljenosti! (Slično, košarkaši teško hvataju lopte koje idu prebrzo.) Međutim, slučajno, atom može uhvatiti i apsorbirati foton.

Sve gore navedeno pretpostavlja da foton nema intrinzične dimenzije; iako je zapravo prilično velika. Tipičan foton vidljive svjetlosti ima talasnu dužinu od oko 1/20 000 cm. Na ovoj dužini oko hiljadu atoma stane u niz. Foton vidljive svjetlosti može se zamisliti kao neka vrsta sfere, čiji je prečnik hiljadu puta veći od prečnika atoma, a zapremina je 1.000.000.000 puta veća od zapremine atoma. U svakom trenutku, foton svjetlosti dolazi u kontakt sa oko milijardu atoma, od kojih ga jedan uspijeva uhvatiti i apsorbirati.

Stoga dubina do koje foton prodire u materiju prije apsorpcije nije 300 cm, i milijardu puta manje, tj. 3 10 -7 cm.

Na ovoj udaljenosti ne stane više od 10-15 atoma u nizu. To znači da foton svjetlosti prije trenutka apsorpcije prodire u tvar ne dublje od 10-15 atomskih slojeva. Debljina od 10-15 atoma je sitnica na običnim skalama, tako da je većina čvrstih materija, čak i u obliku tankih filmova, neprozirna za svjetlost (iako se zlatna folija može napraviti tako tanka da postane prozirna).

Što je valna dužina svjetlosti kraća, foton je manji, to je manje atoma u kontaktu s njim u bilo kojem trenutku i, prema tome, duže putuje kroz materiju prije nego što se apsorbira. Upravo iz tog razloga ultraljubičasto svjetlo prodire u ljudsku kožu dublje od vidljivo svetlo; X-zrake slobodno prolaze mekih tkiva tijela i zaustavlja ih samo gušća supstanca kostiju; a?-zraci prodiru u gustu materiju na mnogo centimetara. (Naravno, vidljiva svjetlost putuje znatnu udaljenost u supstancama kao što su staklo ili kvarc, da ne spominjemo većinu tekućina, ali to su sve odvojena razmatranja.)

Pokušajmo sada iskoristiti sve navedeno u odnosu na neutrine i antineutrine. Napišimo još jednom reakciju raspada neutrona, koja rezultira stvaranjem protona, elektrona i antineutrina:

P> p++ e -+ "?.

Pretpostavimo da je, pod odgovarajućim uslovima, moguć obrnuti proces, u kojem proton, hvatajući elektron i antineutrino, postaje neutron. Tada bi povratna informacija izgledala ovako:

p++ e -+ "? > P.

Naravno, proton mora uhvatiti elektron i antineutrino u isto vrijeme, što uvelike smanjuje vjerovatnoću uspješan završetak proces. (Ovo je ekvivalentno traženju od košarkaša da jednom rukom uhvati dvije lopte u isto vrijeme, leteći na njega iz različitih smjerova.)

Da bismo pojednostavili zadatak, mijenjamo redoslijed pozivanja. Svaki proces koji apsorbira elektron može se zamijeniti procesom koji proizvodi pozitron. (Slično pravilo postoji u algebri: oduzimanje -1 je isto kao i dodavanje +1.) Drugim riječima, umjesto da istovremeno apsorbira elektron i antineutrino, proton može apsorbirati antineutrino i emitovati pozitron:

p++ "? > n + "e+.

Kod ove varijante reakcije zakoni održanja su zadovoljeni. Budući da je proton zamijenjen neutronom (oba sa +1 barionskim brojem), a antineutrino zamijenjen pozitronom (oba sa -1 leptonskim brojem), vrijede zakoni očuvanja barionskog i leptonskog broja.

Ostaje da se razmotri vjerovatnoća apsorpcije antineutrina protonom. Poluživot neutrona je 12,8 min, iako je pojedinačnim neutronima potrebno više ili manje od 12,8 za raspad min. Shodno tome, za formiranje neutrona kada antineutrino uhvati proton i emituje pozitron, u prosjeku je 12,8 min. Drugim riječima, antineutrino apsorbira proton u prosjeku za 12,8 min.

Ali neutrini putuju brzinom svjetlosti i za 12,8 min pređe put od 2,3 10 8 km(tj. putanja približno jednaka udaljenosti od Sunca do Marsa). Teško je povjerovati da antineutrino može prijeći tako veliku udaljenost u čvrstoj tvari prije nego što se apsorbira, čak i ako pretpostavimo da je njegov volumen jednak volumenu fotona. Ali u stvari, antineutrini su mnogo manji od atoma.

U stvarnosti je situacija mnogo komplikovanija.U slučaju fotona do apsorpcije dolazi zahvaljujući elektronima, koji zauzimaju veliki deo zapremine atoma, a u čvrstoj materiji atomi su tijesno jedni uz druge. Antineutrine apsorbuju protoni koji se nalaze u atomska jezgra koji zauzimaju mali delić atoma. Antineutrino, leteći kroz čvrstu materiju, veoma se retko sudara sa sićušnim jezgrom. Samo stomilioni deo vremena kada se antineutrino nalazi unutar atoma, toliko je blizu protona da ga ovaj može uhvatiti. Stoga, da bi antineutrino imao određenu šansu da ga uhvati proton, mora proći put u čvrstoj materiji sto miliona puta duži od 230.000.000 km. Utvrđeno je da, u prosjeku, antineutrino mora preći oko 3500 svjetlosnih godina u olovu prije nego što se apsorbira.

Naravno, nigdje u svemiru nema sloja olova debljine 3.500 svjetlosnih godina. Univerzum se sastoji od pojedinačnih zvijezda, izuzetno rijetko raspoređenih u prostoru, a prečnik svake zvijezde je mnogo manji od milionitog dijela svjetlosna godina. Većina zvijezda je napravljena od materije mnogo manje gustoće od olova. Izuzetak je supergusta materija relativno malog zvjezdanog jezgra. (Postoje i superguste zvijezde u Univerzumu, ali one su vrlo male - ne više planeta.) Ali čak ni supergusti dijelovi zvijezda ne mogu zaustaviti antineutrine. Leteći kroz Univerzum u bilo kom pravcu, antineutrini vrlo retko prolaze kroz zvezdu, a još ređe kroz njeno supergusto jezgro. Ukupna debljina zvjezdane materije kroz koju prolazi antineutrino, leteći s jednog kraja vidljivog svemira na drugi, mnogo je manja od jedne svjetlosne godine.

Sve što je ovdje rečeno o antineutrinima vrijedi, naravno, i za neutrine, pa se stoga može tvrditi da se neutrini i antineutrini praktički ne apsorbiraju. Jednom nastali u nekom subatomskom procesu, oni su uvijek u pokretu i nisu podložni nikakvim promjenama i utjecajima svega oko sebe. S vremena na vrijeme se apsorbuju, ali je broj apsorbiranih neutrina zanemarljiv u odnosu na ogroman broj već postojećih i novonastalih. Savremeno znanje nam omogućava da sa sigurnošću kažemo da praktično svi neutrini i antineutrini koji su nastali tokom života Univerzuma postoje do danas.

Gornji zaključak nije bio baš dobra vijest. Koliko god fizičar iz zakona održanja izvodio zaključak o neophodnosti postojanja neutrina i antineutrina, bio bi istinski srećan tek kada bi zaista otkrio sićušne čestice direktnim posmatranjem. Ali da bi dokazao njihovo postojanje, on prvo mora uhvatiti barem jednu česticu, odnosno učiniti je da stupi u interakciju s nekom drugom česticom kako bi se mogao detektirati rezultat te interakcije. A kako je zapravo bilo nemoguće uhvatiti neutrine ili antineutrine, postojala je ozbiljna sumnja u stvarnost njihovog postojanja!

Kao rezultat toga, fizičar je sačuvao svoje razumevanje strukture univerzuma, koje se razvijalo tokom tri veka, insistirajući na postojanju nečega što se mora uzeti zdravo za gotovo. On je dokazao postojanje neutrina na osnovu svojih teorija i spasio svoje teorije tvrdnjom o postojanju neutrina. Ispostavilo se " začarani krug". Razlozi za sumnju i neizvjesnost su ostali. Bilo je izuzetno važno razviti neku metodu detekcije neutrina ili antineutrina, ako je ikako moguće.

Proboj u gotovo neprobojnom oklopu neuhvatljivog neutrina bio je probijen riječju "prosječno". Rekao sam da prije nego što se apsorbira, antineutrino u prosjeku prolazi kroz sloj čvrstog olova debljine 3.500 svjetlosnih godina. Ali to je samo prosjek. Neki antineutrini mogu krenuti kraćim putem, drugi dužim, a samo nekoliko će ići u apsorpciju ili vrlo malu ili vrlo velika udaljenost. Stoga je potrebno fokusirati se na beskonačno mali dio antineutrina koji se apsorbira u takvoj debljini materije (recimo, nekoliko metara) koju je lako stvoriti u laboratoriju. Da bi ovaj beskonačno mali postotak sadržavao više antineutrino, neophodno je imati veoma moćan izvor ovih čestica. Tako moćan izvor antineutrina je nuklearni reaktor. Višak neutrona proizveden u reaktoru prije ili kasnije se raspada na protone, elektrone i antineutrine. Kada reaktor radi punim kapacitetom, kontinuirano se proizvodi ogroman broj antineutrina. Godine 1953. grupa američki fizičari, na čelu sa Clydeom Cowanom i Frederickom Reinesom, započeo je eksperimente na registraciji antineutrina. Koristili su nuklearni reaktor u rijeci Savannah, u Južnoj Karolini, kao izvor čestica. Ovaj reaktor je emitovao oko 10 18 antineutrina svake sekunde.

Rice. 7. Detekcija antineutrina.

Za tako bezbroj antineutrina, bilo je potrebno stvoriti metu bogatu protonima. Najjednostavniji prirodni cilj je voda. Svaki molekul vode sastoji se od dva atoma vodika, čija su jezgra protoni, i atoma kisika. Cowan i Reines su koristili pet rezervoara vode 1.9 m i širina 1.4 m. Debljina rezervoara je bila različita (sl. 7). Dva tanka rezervoara visine 7,6 cm korišćeni kao meta. Tri druga rezervoara visine 60 cm služio kao detektor. Tenkovi su postavljeni sledećim redosledom: detektor - meta - detektor - meta - detektor. Voda u ciljnim rezervoarima sadržavala je malu količinu otopljenog kadmijum hlorida. Rezervoari detektora sadržavali su rastvor scintilatora, supstance koja emituje deo energije koju je primila kada apsorbuje subatomsku česticu u obliku kratkog praska svetlosti. Takav „dvostruki sendvič“ rezervoara nalazio se na putu antineutrinskog toka iz reaktora. Ostalo je samo čekati. Ako antineutrini zaista postoje, svakih dvadeset minuta (u prosjeku) jedan od njih bi trebao biti apsorbiran od strane protona. Ali tenkovi su bili izloženi kontinuiranom kosmičkom zračenju iz međuplanetarnog prostora, bombardovani česticama koje su emitovale male količine radioaktivnih supstanci u vazduhu, građevinski materijal, tlo. Čitava poteškoća je bila izdvojiti apsorpciju antineutrina na svim ovim pozadini događaja koji su se odvijali unutar rezervoara za vodu.

U početku je neželjena subatomska "šuma" spriječila detekciju apsorpcije antineutrina. Postepeno je stvorena sve efikasnija zaštita da se riješi neželjenog zračenja i čestica. Naravno, nikakva zaštita, nikakva debljina metala ili betona nisu mogli zaustaviti antineutrine, a na kraju se „buka“ smanjila na nivo koji više nije bio skriven slabašnim „šapatom“ vrlo rijetkih antineutrina koje su slučajno uhvatili protoni. Ali ovaj šapat još nije bio identifikovan.

Kada antineutrino apsorbira proton, nastaju neutron i pozitron - kombinacija čestica koju je lako razlikovati. Čim se pozitron formira u jednom od ciljnih rezervoara, on stupa u interakciju sa elektronom za manje od jednog milionitog dela sekunde i nastaju dva fotona, od kojih svaki ima energiju od 0,51 MeV. Prema zakonu održanja impulsa, dva fotona se moraju raspršiti u potpuno suprotnim smjerovima: ako jedan od njih iz ciljnog spremnika uđe u gornji spremnik detektora, onda drugi mora pasti u donji spremnik detektora. U svakom rezervoaru za detekciju dolazi do bljeska svjetlosti. Ove bljeskove odmah automatski registruje stotinu ili više fotomultiplikatora koji se nalaze oko rezervoara za vodu.

Ali šta se dešava sa neutronom? Obično samo luta među molekulima vode (koje vrlo rijetko apsorbuju neutron), sudarajući se s njima dok se spontano ne raspadnu nakon prosječnih 12,8 min nakon njegovog nastanka. Međutim, nema smisla čekati tako dugo, jer se propadanje može dogoditi nekoliko minuta ranije ili kasnije. Tu u pomoć priskače kadmijum hlorid u ciljnom rezervoaru. Neutron luta sve dok se ne sudari sa atomom kadmijuma, u kom trenutku se skoro trenutno apsorbuje. To se dešava u roku od nekoliko milionitih delova sekunde nakon anihilacije pozitrona – period je prilično kratak, a ipak dovoljan da razdvoji dva događaja u vremenu: anihilaciju pozitrona i apsorpciju neutrona. Kada atom kadmija apsorbuje neutron, oslobađa se energija koja se odmah emituje u obliku tri ili četiri fotona sa ukupnom energijom od 9 Mev.

Dakle, Cowen i Reines su uočili sljedeću sliku: prvo, dva fotona sa energijom od 0,5 mev svaki, koje su registrovala dva fotomultiplikatora na suprotnim stranama rezervoara za vodu, a zatim nakon nekoliko milionitih delova sekunde, istovremena proizvodnja tri fotona sa energijom od 3 mev svaki (ponekad četiri fotona sa energijom od 2,25 mev svaki). Nijedna druga subatomska interakcija nije dovela do takvog slijeda događaja. A ako je upravo takav tok događaja registrovan, razumno je bilo zaključiti da proton apsorbuje antineutrino, dakle, antineutrino zaista postoji.

Ali onda se još jedna misao pojavila u opreznim umovima eksperimentatora. Ali šta ako takav slijed događaja nije uzrokovan jednom subatomskom interakcijom, već dvije?

Pretpostavimo da je na neki način stvoren pozitron i da je nakon nekoliko milionitih delova sekunde atom kadmijuma apsorbovao neutron, koji je postojao nezavisno od pozitrona. U ovom slučaju, pojava dva, a zatim tri fotona bila bi rezultat ne jedne interakcije (antineutrino sa protonom), već dvije potpuno nepovezane interakcije. Kakvu interakciju su primijetili Cowan i Reines?

Eksperimentatori su problem riješili tako što su svoja mjerenja prvo izvršili dok je reaktor radio, a zatim i kada je bio isključen. Ako se reaktor isključi, buka će djelovati na spremnike, a njihovo bombardiranje strujom antineutrina će prestati. (Zapravo, u okolnom prostoru uvek ima antineutrina, ali je njihov broj mnogo manji od broja antineutrina u blizini reaktora koji radi.) Stoga, kada bi reaktor bio isključen, nastavile bi se beležiti dvostruke koincidencije, a apsorpcija antineutrini bi stali.

Ispostavilo se da je s isključenim reaktorom zabilježeno 70 događaja dnevno manje nego s uključenim reaktorom. To znači da je dnevno apsorbovano i snimljeno 70 antineutrina (po jedan svakih dvadeset minuta). Rezultati eksperimenta mogli bi se smatrati nesumnjivim dokazom, a 1956. godine objavljeno je da je, dvadeset pet godina nakon što je Pauli prvi put predvidio postojanje antineutrina, takva čestica konačno registrovana. Ovaj događaj se obično naziva "detekcija neutrina", iako je antineutrino detektovan. Međutim, nakon što su "uhvatili" antineutrino, fizičari vjeruju da je postojanje neutrina nesumnjivo.

Apsorpcija fotona

Do sada je neutrino bio vrlo sličan fotonu. Poput fotona, neutrino je nenabijen, nema masu i uvijek putuje brzinom svjetlosti. Obe čestice imaju spin. Spin fotona je +1 ili -1, dok je spin neutrina +1/2 ili -1/2 (razlika nije značajna). Ipak, postoji zanimljiva, pa čak i iznenađujuća razlika između njih, koju će nam sljedeće rezonovanje pomoći da shvatimo.

Hajde da pratimo dva događaja obrnuta u vremenu. Neka osoba koja drži loptu baci je, recimo, na jug. Ako se lopta približi osobi, krećući se u suprotnom smjeru, osoba podiže ruku i hvata je. U prvom slučaju, slijed događaja je bio: 1) osoba drži loptu, 2) osoba baca loptu, 3) lopta leti prema jugu. Vremenski obrnuto kretanje imalo je drugačiji slijed događaja: 1) lopta leti na sjever, 2) osoba hvata loptu, 3) osoba drži loptu. Sve ovo jako podsjeća na film koji se prvo skroluje u jednom, a zatim u suprotnom smjeru.

Pokušajmo ovaj princip prenijeti na subatomski svijet.Ako elektron u atomu prijeđe iz pobuđenog u manje pobuđeno stanje, on emituje foton vidljive svjetlosti čija valna dužina ovisi o razlici energije između dva pobuđena stanja atoma. Isti atom može apsorbirati ili "uhvatiti" foton s potpuno istom talasnom dužinom, a elektron će prijeći iz manje pobuđenog stanja u više pobuđeno stanje. Svaki tip atoma emituje fotone određenih talasnih dužina (u zavisnosti od energije njegovih pobuđenih stanja) i, pod pravim uslovima, apsorbuje fotone sa potpuno istim talasnim dužinama.

Ipak, razlika između direktnog i vremenski obrnutog događaja nije samo promjena smjera i slijeda. Uhvatiti loptu je teže nego baciti. Bacanjem lopte pokrećete nepokretni predmet, a sve zavisi samo od vas. Sa svojim vremenom možete bolje uzeti loptu, pažljivo ciljati itd. Kada uhvatite loptu, morate imati posla sa predmetom koji se kreće i nema vremena za zijevanje. Kako se lopta približava, mora se brzo uhvatiti, jer će lopta ostati na dohvat ruke djelić sekunde. U tom deliću sekunde trebalo bi da imate vremena da ispružite ruku tačno u pravcu lopte i zaustavite je. Ako promašite, lopta će proletjeti.

Ista stvar se dešava sa atomom koji emituje foton. Takav atom emituje foton u vremenu koje je u prosjeku oko 10 -8 sec. Shodno tome, atom, da tako kažemo, upravlja svojim vremenom i emituje foton kada mu to odgovara.

Da bi apsorbirao isti foton, atomu je potrebno 10 -8 sec,što je prirodna posledica reverzibilnosti događaja. Ali atom ne može apsorbirati foton bez mnogo problema. Foton se kreće brzinom svjetlosti i ne ostaje blizu atoma tokom cijelog vremenskog intervala 10 -8 sec. Za takav vremenski period foton svjetlosti preleti u prosjeku 300 cm. Neki fotoni mogu putovati veću udaljenost, drugi manje. Jasno je zašto je atomima obično vrlo teško uhvatiti fotone: na kraju krajeva, veličina atoma je mnogo manja od ove udaljenosti! (Slično, košarkaši teško hvataju lopte koje idu prebrzo.) Međutim, slučajno, atom može uhvatiti i apsorbirati foton.

Sve gore navedeno pretpostavlja da foton nema intrinzične dimenzije; iako je zapravo prilično velika. Tipičan foton vidljive svjetlosti ima talasnu dužinu od oko 1/20 000 cm. Na ovoj dužini oko hiljadu atoma stane u niz. Foton vidljive svjetlosti može se zamisliti kao neka vrsta sfere, čiji je prečnik hiljadu puta veći od prečnika atoma, a zapremina je 1.000.000.000 puta veća od zapremine atoma. U svakom trenutku, foton svjetlosti dolazi u kontakt sa oko milijardu atoma, od kojih ga jedan uspijeva uhvatiti i apsorbirati.

Stoga dubina do koje foton prodire u materiju prije apsorpcije nije 300 cm, i milijardu puta manje, tj. 3 10 -7 cm.

Na ovoj udaljenosti ne stane više od 10-15 atoma u nizu. To znači da foton svjetlosti prije trenutka apsorpcije prodire u tvar ne dublje od 10-15 atomskih slojeva. Debljina od 10-15 atoma je sitnica na običnim skalama, tako da je većina čvrstih materija, čak i u obliku tankih filmova, neprozirna za svjetlost (iako se zlatna folija može napraviti tako tanka da postane prozirna).

Što je valna dužina svjetlosti kraća, foton je manji, to je manje atoma u kontaktu s njim u bilo kojem trenutku i, prema tome, duže putuje kroz materiju prije nego što se apsorbira. Iz tog razloga ultraljubičasto svjetlo prodire u ljudsku kožu dublje od vidljive svjetlosti; rendgenski zraci slobodno prolaze kroz meka tkiva tijela i zaustavlja ih samo gušća koštana supstanca; a?-zraci prodiru u gustu materiju na mnogo centimetara. (Naravno, vidljiva svjetlost putuje znatnu udaljenost u supstancama kao što su staklo ili kvarc, da ne spominjemo većinu tekućina, ali to su sve odvojena razmatranja.)