Элементы квантовой биофизики.

Элементы квантовой биофизики.

 

Квантовая биофизика рассматривает на молекулярном уровне процессы, протекающие в живых организмах при взаимодействии с электромагнитном излучением. Теоретическая основа квантовой биофизики – квантовая механика (наука о движении микрочастиц). Начало квантовой механики – идея Планка (1900 год) о прерывистости излучения и распространения света. Развитие этой идеи – постулаты Бора, фундамент современной квантовой механики.

 

Излучение и поглощение света атомами и молекулами.

 

Внутренняя энергия атома и молекулы дискретна, или квантуется, т.е. она может принимать лишь определённые значения, или уровни. Энергетический уровень с наименьшей энергией – основной. Остальные энергетические уровни – возбуждённые.

Каждому энергетическому уровню соответствует определённое стационарное состояние частицы. В стационарном состоянии частицы её энергия не меняется. При переходе из одного стационарного состояния в другое (в системе энергетических уровней) её энергия изменяется на строго определённую величину – квант:

, где - постоянная Планка (универсальная постоянная излучения).

 

Принцип устройства и работы лазеров.

 

Лазеры – оптические квантовые генераторы, в основе работы которых лежит явление вынужденной люминесценции.

Спонтанная люминесценция – излучение, возникающее после возбуждения молекулы самопроизвольно.

Вынужденная люминесценция – излучение, возникающее при взаимодействии с возбуждённой частицей нового фотона.

В результате вынужденного квантового перехода от частицы в одном и том же направлении распространяются два одинаковых фотона – первичный (вынуждающий) и вторичный (вновь испущенный). При их встрече с возбуждённой частицей образуется уже 4 одинаковых фотона, далее 8, 16 и т.д., т.е. световой поток лавинообразно нарастает. Таким образом, происходит усиление света при его прохождении через систему. По аналогии с электронными устройствами такого рода, система называется «Оптический квантовый усилитель».

 

Условия реализации такого усилителя на практике:

1. Инверсная (противоположная нормальной) заселённость энергетических уровней.

2. Метастабильное возбуждённое состояние.

Процесс возбуждения вещества с целью создания инверсии населённостей – накачка. Она может быть оптическая, электрическая, химическая.

Для превращения процесса усиления в процесс генерации в систему вводится положительная обратная связь.

 

В лазерах ПОС осуществляется с помощью оптического резонатора, представляющего собой два зеркала (сплошное и полупрозрачное) я ячейку с активным веществом между ними. Фотоны, испускаемее при индуцированных квантовых переходах в активном веществе многократно отражаются от зеркал. При этом удлиняется их путь в активном веществе, возрастет число встреч с возбуждёнными частицами, и интенсивность излучения увеличивается.

Принципиальная схема лазера:

 

Виды лазеров:

1. Различные по используемому активному веществу

a. твердотельные (рубиновый)

b. жидкостный

c. газовые (гелий-неоновые)

d. полупроводниковые

2. Различные по режиму работы

a. стационарный

b. импульсный свободной генерации

c. гигантских импульсов

3. Различные по характеристикам излучения – мощности, длительности, длине волны, коэффициенту полезного действия.

 

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии накачки непосредственно преобразуется в энергию лазерного излучения. Из названных лазеров наибольший КПД имеют полупроводниковые.

 

Свойства лазерного излучения:

1. Монохроматичность.

2. Когерентность.

3. Строгая направленность.

4. Большая мощность.

 

Элементы квантовой биофизики.

 

Квантовая биофизика рассматривает на молекулярном уровне процессы, протекающие в живых организмах при взаимодействии с электромагнитном излучением. Теоретическая основа квантовой биофизики – квантовая механика (наука о движении микрочастиц). Начало квантовой механики – идея Планка (1900 год) о прерывистости излучения и распространения света. Развитие этой идеи – постулаты Бора, фундамент современной квантовой механики.