Chương 8: Quang lượng tử và quang sinh học - Môn: Vật lý đại cương

Chia sẻ: Ba Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

238
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'chương 8: quang lượng tử và quang sinh học - môn: vật lý đại cương', khoa học tự nhiên, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 8: Quang lượng tử và quang sinh học - Môn: Vật lý đại cương

Chương 8 QUANG LƯ NG T VÀ QUANG SINH H C § 8.1. B C X NHI T 8.1.1. B c x nhi t và các ñ i lư ng ñ c trưng S phát sóng ñi n t c a v t x y ra do quá trình n i nguyên t , phân t g i là s b c x . Ngu n năng lư ng cung c p và các d ng b c x có th r t khác nhau, như s phát sáng c a bóng ñèn ñi n, c a ñám l a, c a màn vô tuy n, c a c i m c, ñom ñóm,... B c x c a v t do ñư c ñ t nóng (năng lư ng cung c p cho v t là nhi t năng) g i là b c x nhi t. S b c x nhi t c a các v t trong m t h cô l p có ñ c ñi m là h s ñ t ñ n tr ng thái cân b ng nhi t (m i v t c a h có cùng nhi t ñ ). .v n ð ñ c trưng cho quá trình b c x nhi t ngư i ta ñưa ra m t s ñ i lư ng sau: h - V t b c x phát ra các sóng ñi n t có bư c sóng khác nhau, n u tách ra xét m t 4 kho ng không l n c a bư c sóng, t λ ñ n λ + dλ thì năng lư ng do m t di n tích dS c a b c2 m t v t phát ra trong m t ñơn v th i gian cho kho ng này là dE λ s t l v i ñ r ng c a kho ng dλ và dS . Ta vi t: dE λ = r λ. dλ.dS ih r λ g i là năng su t b c x c a v t o (8.3) bư c sóng λ , trong h SI có ñơn v ño là w/ m 3 . u - ð i lư ng: V ∞ R = ∫ rλ ⋅ dλ 0 (8.4) là năng lư ng mà m t ñơn v di n tích b m t v t b c x phát ra trong m t ñơn v th i gian, ng v i m i bư c sóng có th có c a b c x ; ðư c g i là năng su t b c x toàn ph n hay ñ trưng c a v t b c x . - Kh năng h p th năng lư ng b c x c a v t m t kho ng bư c sóng dλ. g n bư c sóng λ nào ñó ñư c ñ c trưng b i h s h p th a λ ; ðư c ño b ng t s gi a năng lư ng b c / x h p th b i v t dE λ và năng lư ng b c x chi u ñ n v t dE λ ng v i kho ng bư c sóng ñó: dE / λ aλ = (8.5) dE λ 98
Như v y a λ có giá tr t 0 ñ n 1 - V t có h s h p th b ng 1 ñ i v i m i bư c sóng g i là v t ñen tuy t ñ i; Nó h p th m i b c x chi u t i. Trong t nhiên không t n t i v t ñen tuy t ñ i. Ngư i ta ñưa ra mãu v t ñen tuy t ñ i là m t l nh c a m t v t r ng (hình 8.1). ánh sáng chi u vào l s ph n x và h p th nhi u l n thành v t và r t ít có kh năng ra kh i l . 8.1.2. ð nh lu t Kirchhoff v b c x nhi t - Gi a năng su t b c x và h s h p th c a v t có m i liên h xác ñ nh. Ta có th th y ñi u ñó qua ví d sau : Hình 8.1 Trong m t bình cách nhi t, chân không, có các v t khác nhau v b n ch t, toàn b h .v n tr ng thái cân b ng nhi t, t c là nhi t ñ như nhau 4 h (hình 8.2). Các v t ch trao ñ i năng lư ng b ng b c x nhi t. Như v y trong cùng m t kho ng th i gian, m i v t s h p th và b c x m t năng c2 lư ng như nhau, v t phát ra b c x nào nhi u. thì cũng h p th nhi u chính b c x ñó. ih o M i liên h ñ nh lư ng gi a năng su t b c x A1 A3 V u và h s h p th c a các v t ñã ñư c xác l p b i Kirchhoff vào năm 1895: nhi t ñ như nhau, v i m i bư c sóng xác ñ nh, t s gi a năng su t b c x và h s h p th là như nhau ñ i v i m i v t. A2 rλ r r e Hình 8.2 ( )1 = ( λ )2 = ... = ( λ )n = λ (8.6) aλ aλ aλ 1 ñây e λ là năng su t b c x c a v t ñen tuy t ñ i. ð nh lu t (8.6) có th vi t dư i d ng: r λ = a λ. e λ (8.7) T ñ nh lu t ta th y v t ñen tuy t ñ i là v t b c x m nh nh t. 8.1.3. Gi thuy t Planck a) Quy lu t th c nghi m v năng su t b c x c a v t ñen tuy t ñ i 99
T p h p t t c các b c x có bư c sóng khác nhau mà v t phát ra g i là ph b c x c a v t ñó. Th c nghi m cho th y ph b c x c a v t ñen tuy t ñ i là liên t c và có m t c c ñ i (hình 8.3). T ñư ng cong th c nghi m ta có th rút ra m t s nh n xét: - Khi tăng nhi t ñ c a v t b c x thì c c ñ i ph b c x d ch chuy n v phía sóng ng n ∞ - Năng su t b c x toàn ph n do v t ñen tuy t ñ i phát ra Rden = ∫ rλ .dλ , ng v i m i 0 bư c sóng có th có, ñư c tính theo di n tích gi i h n b i ñư ng cong e λ và tr c hoành. Ta th y Rden tăng theo nhi t ñ c a v t ñen. b) Gi thuy t Planck Tr i qua m t th i gian dài không có m t lý thuy t v b c x nhi t nào phù h p v i .v n k t qu th c nghi m. ð n năm 1900 Planck ñã gi i quy t ñư c v n ñ này. Khác v i v t lý c ñi n coi s phát và h p th b c x c a v t ñen như quá trình liên t c; Planck ñưa ra gi 4 h thuy t r ng v t ñen tuy t ñ i b c x và h p th năng lư ng không liên t c mà b ng nh ng ph n gián ño n xác ñ nh, g i là lư ng t năng lư ng; lư ng t năng lư ng ng v i b c x có c2 t n s ν hay bư c sóng λ c a b c x là: ε = hν = hc λ ih (v i h là h ng s Planck, o eλT T1 > T2 > T3 u -34 h = 6,625.10 Js, c là v n t c ánh sáng trong chân không) . V T ñó Planck ñã nh n ñư c công th c: eλ ,T = 2πhc 2 λ5 e hc 1 −1 kTλ T1 T2 T3 (8.9) V i k là h ng s Bonltzmann. λ1 λ2 λ3 λ ðư ng cong bi u di n công th c (8.9) hoàn toàn phù h p v i ñư ng cong th c nghi m. S d ng công th c (8.9), có th vi t l i công Hình 8.3 th c (8.7) dư i d ng: 100
2πhc 2 1 rλ = aλ 5 hc λ e kTλ −1 8.1.4. M t s ñ nh lu t b c x c a v t ñen tuy t ñ i T công th c c a Planck có th tìm l i các ñ nh lu t th c nghi m v b c x c a v t ñen tuy t ñ i ñã ñư c xác l p trư c ñó: ∞ dλ - Ta có: Rden = 2πhc2 ∫0 λ5 (e hc / kTλ − 1) ∞ hc 2 πk 4 T 4 x 3 dx N u ñ i bi n x = kTλ thì Rden = c2h3 ∫ ex −1 0 L y tích phân và nhân v i giá tr các h ng s ta ñư c: Rden = σ. T4 (8.10) ðây là ñ nh lu t ñã ñư c Stefan- Boltzmann tìm ra b ng thưc nghi m; V i σ = 5,6696.10-8 (w/ m2. 0K4 g i là h ng s Stefan- Boltzmann. .v n 4 h ð nh lu t cho th y : Năng su t b c x toàn ph n c a v t ñen tuy t ñ i t l v i lu th a c2 4 c a nhi t ñ tuy t ñ i c a v t. o de λ - Hàm e λ công th c (8.9) có c c ñ i, s d ng ñi u ki n = 0 ta tìm ñư c ñ nh ih dλ lu t th c nghi m c a Wein v bư c sóng λm ng v i c c ñ i c a năng su t b c x c a v t ñen: V u λm= b T (8.11) V i b = 0,28987.10-2 m.0K g i là h ng s Wein ð nh lu t Steffan- Boltzmann và Wein cho phép xác ñ nh nhi t ñ c a v t khi ño ph b c x c a chúng. Vi c tìm l i ñư c các ñinh lu t th c nghi m t công th c Planck chính là m t minh ch ng n a cho s ñúng ñ n c a gi thuy t và công th c Planck. 8.1.5. S b c x nhi t c a h sinh v t. ng d ng c a ngu n b c x M t tr i và ngu n tia h ng ngo i a) S b c x nhi t c a h sinh v t 101
Con ngư i và các ñ ng v t s ng gi ñư c m t nhi t ñ xác ñ nh nh kh năng ñi u ch nh thân nhi t; Tuy v y luôn x y ra quá trình trao ñ i nhi t gi a cơ th s ng v i môi trư ng. S trao ñ i nhi t x y ra b ng nhi u cách như sư truy n nhi t, s ñ i lưu, bay hơi hay b c x , h p th . Các quá trình này cũng ph thu c vào nhi u y u t như tr ng thái cơ th (nhi t ñ , tính linh ho t, ...), tr ng thái môi trư ng (nhi t ñ , ñ m, s chuy n ñ ng c a không khí,...), vào qu n áo (màu s c, b dày,...). Các nghiên c u th c nghi m cho th y r ng 50% nhi t mà cơ th m t là do quá trình b c x vào môi trư ng; Công su t nhi t m t mát cho môi trư ng ñư c tính theo công th c: P = S.σ (T14 – T04 ) (8.12) V i S là di n tích ti p xúc v i môi trư ng, T1 là nhi t ñ cơ th , T0 là nh t ñ môi trư ng. Công th c này cho th y vi c che ph ñ gi m s ti p xúc b m t da c a gia súc v i môi trư ng trong nh ng ngày giá rét có ý nghĩa r t quan tr ng. S b c x nhi t c a cơ th sinh v t cũng ph thu c vào ñ nóng c a t ng vùng, .v n nh ng vùng có viêm, u,...thư ng có nhi t ñ cao. Vì v y vi c ghi l i b c x nhi t c a các ph n khác nhau trên b m t cơ th ngư i, gia súc s là m t phương pháp ñ ch n ñoán b nh trong y h c và trong ngành thú y. b) 4 h ng d ng c a ngu n b c x m t tr i và ngu n tia h ng ngo i o c2 - M t tr i là ngu n b c x nhi t m nh nh t, t o ra s s ng trên trái ñ t. Thông lư ng b c x c a m t tr i ñ n trái ñ t là 1350w/m2 , v i c c ñ i c a ph b c x λm = 0,47 µm, t ñó ih có th tính g n ñúng nhi t ñ b m t b c x c a M t tr i theo ñ nh lu t Vin là 6150 0K. Nh ngu n b c x m t tr i mà th c v t th c hi n ñư c quá trình quang h p. Trong y h c b c x V u m t tr i s d ng ñ ch a b nh. Trong nông nghi p b c x m t tr i dùng ñ phơi khô s n ph m m t cách t nhiên ho c ñ s y b o qu n các lo i c , qu ,... d a theo hi u ng l ng kính. - B c x h ng ngo i có bư c sóng t 0,76 µm ñ n vùng sóng vô tuy n ng n 1→ 2 mm. D a theo ñ nh lu t Vin ta có th tính ra nhi t ñ c a v t phát b c x h ng ngo i t 1,5 0 K ñ n 3800 0K; ði u này có nghĩa là ñi u ki n bình thư ng , t t c các v t r n, l ng ñ u là các ngu n b c x h ng ngo i. Các ngu n b c x h ng ngo i có công su t l n ñư c s d ng trong s y s n ph m ch t lư ng cao (thóc gi ng, các lo i h i s n xu t kh u,...), dùng ñ sư i m và ch a b nh,... §8.2. HI N TƯ NG QUANG ðI N VÀ NG D NG 8.2.1. Hi n tư ng quang ñi n Hi n tư ng quang ñi n là hi n tư ng x y ra khi chi u ánh sáng thích h p vào m t v t làm nó phát ra electron (g i là hi n tư ng quang ñi n ngoài) ho c b t electron kh i liên k t 102
thành electron t do trong v t, d n ñ n làm thay ñ i tính d n ñi n c a v t, hay làm xu t hi n m t su t ñi n ñ ng trong v t (g i là hi n tư ng quang ñi n trong). Dư i ñây ta xét chi ti t hơn hi n tư ng ñó: - Hi n tư ng quang ñi n ngoài khi quan sát ch t khí trên các nguyên t , phân t riêng bi t chính là s quang ion hoá. - Hi n tư ng quang ñi n ngoài kim lo i là quá trình electron t do c a kim lo i h p th phôton c a ánh sáng nên tăng ñ ng năng, electron này chuy n ñ ng ñ n b m t và b t kh i kim lo i. Quá trình này ñư c mô t ñ nh lư ng b ng phương trình Einstein: mv 2 hν = A + (8.1) 2 mv 2 ñây hν là năng lư ng c a phôton, là ñ ng năng c a electron bay ra kh i kim 2 lo i, A là công b t electron. .v n Theo h th c trên, hi n tư ng quang ñi n ch x y ra khi t n s hay bư c sóng λ c a b c x chi u t i kim lo i tho mãn: 4 h c2 hc hν = ≥ A λ theo h th c: hν0 = hc = A o Giá tr gi i h n c a t n s ν0 hay bư c sóng λ0 ñ có hi n tư ng quang ñi n xác ñ nh ih V u T c là: λ0 hc A = λ0 (8.2) λ0 g i là gi i h n quang ñi n c a kim lo i - hi n tư ng quang ñi n trong, khi chi u ánh sáng vào ch t bán d n hay ñi n môi mà năng lư ng c a phôton ñ ñ b t electron kh i liên k t thành electron t do thì k t qu là ñ d n ñi n c a ch t tăng lên. Cũng tương t , khi chi u ánh sáng thích h p vào ti p xúc p – n thì s t o ra các c p electron t do và l tr ng; ði n trư ng ti p xúc c a p – n s làm l tr ng chuy n d i sang bán d n p, electron sang bán d n n, k t qu là t o ra m t su t ñi n ñ ng quang ñi n. 8.2.2. ng d ng c a hi n tư ng quang ñi n D ng c ph bi n nh t ng d ng hi n tư ng quang ñi n ngoài là t bào quang ñi n; ðó là m t bình chân không, bên trong ñ t hai ñi n c c là an t và kat t (nh y v i ánh sáng). 103
Khi chi u ánh sáng thích h p vào kat t thì các electron kat t b b t ra và chuy n d i v an t t o nên dòng quang ñi n. Trong các t bào quang ñi n ñ c bi t ngư i ta l p thêm các ñi n c c ñ phát electron th c p và các b ph n khu ch ñ i ñ tăng dòng quang ñi n lên nhi u l n. Trong sinh h c các thi t b này ñư c dùng ñ ghi l i các phát quang sinh h c y u. Ngoài ra ngư i ta còn dùng các t bào quang ñi n nh y v i tia h ng ngo i ñ ghi l i các vùng nóng không nhìn th y trên b m t v t; Thi t b này có th dùng ñ ch n ñoán b nh cho ngư i và gia súc. Khi ch p nh ch n ñoán b nh b ng tia Roentgen, thư ng ph i s d ng cư ng ñ y u ñ không nh hư ng ñ n cơ th ; Do v y ñ có ñư c nh rõ nét ngư i ta ng dung hi n tư ng quang ñi n ngoài ñ bi n ñ i nh t vùng ph này sang vùng ph khác. Thi t b ng d ng hi n tư ng quang ñi n n i khi chi u ánh sáng m t tr i vào ti p xúc p – n g i là pin m t tr i, ñây là thi t b dx n bi n ñ i quang năng thành ñi n năng .v có hi u su t cao và ñư c dùng làm ngu n cung c p ñi n năng cho các 0 vùng xa xôi h o lánh hay các thi t b trên tàu vũ tr , trên v tinh nhân t o,... Io 4 h i i+ di I c2 Các quang tr ng d ng hi n tư ng quang d n l i dùng nhi u trong ih các h th ng ñi u khi n t ñ ng. §8.3. H P TH ÁNH SÁNG VÀ o Hình 8.4 NG D NG V u - Cư ng ñ ánh sáng truy n t i môi trư ng v t ch t có th gi m do ph n x , do s tán x b i nguyên t , phân t v t ch t và m t ph n bi n thành nhi t ñ t nóng môi trư ng. Ph n năng lư ng bi n thành nhi t ñó ñư c g i là ph n b môi trư ng h p th . - ð xác l p ñ nh lu t h p th , ta gi s chi u m t chùm sáng ñơn s c cư ng ñ I0 vào l p môi trư ng gi i h n b i hai m t ph ng song song, có b d y l . - Xét m t l p môi trư ng ñ m ng dx, khi ñó m c ñ làm y u cư ng ñ sáng dI s càng l n n u b d y l p môi trư ng càng l n và cư ng ñ sáng I chi u vào l p càng l n; T c là: dI dI = - kI dx hay: = - k dx I 104
k là h s t l dương, ph thu c b n ch t c a môi trư ng và bư c sóng ánh sáng, g i là h s h p th c a môi trư ng. D u (-) th hi n cư ng ñ sáng qua môi trư ng gi m. L y tích phân hai v v i các gi i h n tương ng (như hình v 8.4) ta có: Il dI l ∫ I = ∫ − kdx ⇒ I l = I 0 e − kl (8.13) I0 0 ðây chính là công th c c a ñ nh lu t Buger: Khi b d y môi trư ng tăng theo c p s c ng thì cư ng ñ sáng qua môi trư ng gi m theo c p s nhân. - ð i v i môi trư ng h p th là dung d ch, th c nghi m cho th y khi dùng dung d ch loãng, h s h p th k t l v i n ng ñ dung d ch C, t c là: k = αC (8.14) V i α là h s t l ph thu c bư c sóng và ch t hoà tan trong dung d ch g i là năng Beer: .v n su t h p th c a ch t tan. Thay (8.14) vào ñ nh lu t Buger (8.13) ta ñư c ñ nh lu t Buger – I l = I 0 .e − αcl 4 h (8.15) c2 I0 ð i lư ng D = lg ( ) = α.C. l g i là m t ñ quang I ih quang c a dung d ch: o V i dung d ch g m nhi u ch t hoà tan có n ng ñ m i ch t là C1, C2, ..., Cn thì m t ñ V u D = D1 + D2 + .... + Dn = (α1 C1 + α2 C2 + ... + αn Cn). l ñây αi là năng su t h p th riêng c a các ch t tương ng ð nh lu t Buger – Beer ñư c ng d ng nhi u trong sinh h c, y h c. Ch ng h n ñ xác ñ nh n ng ñ các dung d ch sinh h c, hay xác ñ nh lư ng ô xy huy t s c t , ... §8.4. S PHÁT QUANG VÀ NG D NG 8.4.1. M t s khái ni m H u h t các v t khi b kích thích b ng các tác nhân v t lý hay hoá h c,...thì có th phát b c x . Trong toàn b các b c x mà v t phát ra, có m t ph n là b c x nhi t, m t ph n là b c x ph n x , tán x và ph n dư l i là phát quang. B c x ph n x và tán x s t t ngay (trong kho ng 1 chu kỳ dao ñ ng c a b c x , kho ng 10-10 s) sau khi ng ng kích thích v t, nhưng b c x phát quang v n kéo dài lâu hơn (t vài chu kỳ c a dao ñ ng c a b c x cho ñ n vài ngày). 105
Vì v y có th ñ nh nghĩa: Phát quang là hi n tư ng phát b c x còn dư ngoài b c x nhi t c a m t v t và b c x còn dư ñó kéo dài m t th i gian lâu hơn m t chu kỳ dao ñ ng c a b c x sau khi ng ng kích thích. Phát quang là quá trình phát b c x không cân b ng, t c là không có s cân b ng nhi t gi a v t phát quang và các v t xung quanh. Có th phân lo i hi n tư ng phát quang theo năng lư ng cung c p cho v t: Quang phát quang, hoá phát quang,... Ta ch gi i h n xét hi n tư ng quang phát quang, khi ñó d a theo th i gian kéo dài phát quang, ngư i ta l i phân chia thành: - Huỳnh quang : N u s phát quang t t ngay sau khi ng ng kích thích (m t không phát hi n ñư c) - Lân quang : N u s phát quang còn kéo dài (m t phát hi n ñư c) sau khi ng ng kích thích v t. Tuy nhiên s phân chia như v y cũng ch có tính ch t tương ñ i. .v n Ngư i ta còn phân lo i phát quang d a theo s ph thu c c a th i gian kéo dài phát 4 h quang vào nhi t ñ . Theo cách phân lo i này, n u th i gian kéo dài phát quang không ph thu c vào nhi t ñ thì ñó là huỳnh quang; N u th i gian kéo dài phát quang ph thu c nhi t c2 ñ thì ñó là lân quang. Phát quang còn ñư c phân lo i theo cư ng ñ b c x hay ph b c x mà v t phát ra. ih 8.4.2. Các quy lu t v huỳnh quang o a) Quy lu t v th i gian phát sáng trung bình u Sau khi ng ng kích thích v t phát quang, thì cư ng ñ ánh sáng phát quang I gi m V theo th i gian t theo quy lu t hàm lu th a: I = I0 e – t /τ (8.16) V i I0 là cư ng ñ sáng t i t = 0, τ g i là E HT H.Q th i gian phát sáng trung bình; ðó là kho ng th i gian mà sau ñó cư ng ñ ánh sáng phát quang I0 gi m ñi e l n: I = e Trong hi n tư ng huỳnh quang, th i gian phát sáng trung bình τ không ph thu c nhi t ñ O λht λ pq λ(nm ) v t phát quang và có tr s t 10 -9 ñ n 10 -4 s Hình 8.5 b) ð nh lu t Stock 106
Th c nghi m cho th y không ph i m i b c x ñơn s c ñ u kích thích ñư c s phát quang c a m t ch t mà ch nh ng b c x ñơn s c n m trong mi n h p th c a ch t ñó m i có th kích thích ñư c s phát quang. V i các ch t r n, l ng, khí và dung d ch thì các b c x b v t h p th tr i m t cách liên t c trong m t mi n quang ph g i là ph h p th c a ch t ñó. Ph h p th c a m i ch t có m t c c ñ i xác ñ nh. Khi kích thích v t phát quang (dù ch b ng m t b c x ñơn s c n m trong mi n h p th ) thì v t cũng phát ra m t lo t b c x tr i m t cách liên t c trong m t mi n quang ph , g i là ph phát quang c a ch t. Khi nghiên c u ph h p th và phát quang, Stock ñã tìm ñư c ñ nh lu t: C c ñ i c a ph phát quang c a m t ch t bao gi cũng m t bư c sóng l n hơn bư c sóng ng v i c c ñ i c a ph h p th c a ch t ñó (hình 8.5). c) ð nh lu t Vavilop n Ngư i ta ñ nh nghĩa hi u su t phát quang η là t s gi a năng lư ng phát quang EPq và .v năng lư ng h p th Eht c a v t: h E pq η = η có th nh n giá tr t E ht c24 0 ñ n 1 và ñ i v i m t ch t thì η ph thu c vào bư c sóng λ c a o b c x kích thích. ih Vavilop ñã xét hi u su t phát quang ng v i m t bư c sóng λ0 c a ánh sáng phát quang khi thay ñ i bư c sóng kích thích λ và tìm ñư c quy lu t: V u Hi u su t phát quang tăng t l v i bư c sóng kích thích cho ñ n tr s λ = λ0 thì hi u 1.0 0.8 η su t phát quang b ng 1 sau ñó hi u su t phát 0.6 quang gi m ñ t ng t xu ng b ng 0 (hình 8.6). 0.4 d) Quy lu t làm t t phát quang 0.2 Khi m t ch t ñang phát quang ngư i ta th y hi u su t phát quang thay ñ i m nh khi 0 λ0 λ thayñ i n ng ñ ch t phát quang, n ng ñ t p Hình 8.6 ch t, ñ PH c a môi trư ng, nhi t ñ , .... N u hi u su t phát quang gi m do nguyên nhân nào thì ngư i ta nói có s làm t t phát quang vì lý do ñó. 107
Ch ng h n n u tăng n ng ñ ng dung d ch phát quang ñ n m t gi i h n s x y ra làm t t phát quang do n ng ñ ; Như dung d ch Fluoretxein trong nư c b t t phát quang khi n ng ñ C > 4.10-3 M. Nhi u dung d ch b làm t t phát quang do pha thêm t p ch t, .... e) ng d ng c a huỳnh quang trong sinh h c - Trong nghiên c u sinh h c, phân tích ph huỳnh quang giúp cho vi c xác ñ nh m t cách ñ nh tính cũng như ñ nh lư ng các thành ph n ch a trong d ch chi t sinh h c ho c xác ñ nh n ng ñ các lo i vitamin (tr vitamin C không phát quang). - Ph kích thích huỳnh quang ñư c ng d ng trong nghiên c u s v n chuy n năng lư ng gi a các phân t sinh v t, .... 8.4.3. S phát quang cư ng b c. ng d ng c a tia laser Khi chi u b c x ñi n t vào m t môi trư ng b c x g m các nguyên t , phân t .v n tr ng thái kích thích (môi trư ng kích ho t) thì các nguyên t , phân t c a môi trư ng s chuy n m c năng lư ng và phát ra m t t p h p các b c x có cùng t n s , cùng phân c c, 4 h cùng pha v i b c x kích thích. K t qu là cư ng ñ t ng h p c a b c x ñư c sinh ra s l n hơn r t nhi u so v i cư ng ñ b c x chi u vào ban ñ u. S phát quang như v y g i là phát c2 quang cư ng b c. B c x phát ra d i t n sóng vô tuy n g i là maser còn d i t n ánh sáng nhìn th y g i là laser. ih o B c x laser có tính ch t ñ c bi t là bó l i trong m t tia h p, ít b n ra theo kho ng 2 u cách truy n ñi. Tia laser có ñ ñơn s c c c kỳ cao, có kh năng h i t vào m t di n tích c c V kỳ h p (c λ ) nên t o ñư c m t cư ng ñ b c x c c kỳ cao. Có nhi u ng d ng trong th c t d a trên vi c khai thác các tính ch t ñ c bi t c a tia laser: - Do tính ch t c c kỳ ñơn s c và r t m nh, r t m nh có ñ k t h p cao, laser ñư c ng d ng trong ño lư ng chính xác, in, ch p và t o nh; Ch ng h n ñ ño kho ng cách t Trái ñ t ñ n M t trăng mà dùng laser có λ = 1 µm thì ch c n ñ t trên M t trăng m t gương ph n x có ñư ng kính 10 cm; Trong khi ñó dùng sóng vô tuy n λ = 1m thì c n gương ñư ng kính 20m. - Tia laser có t n s cao g p kho ng m t tri u l n sóng vô tuy n nên cho phép truy n ñư c tín hi u trong d i r ng. Ch ng h n m t sóng laser có th truy n 200 kênh truy n hình trong khi ñó m t sóng vô tuy n UHF ch truy n ñư c m t kênh. Tuy nhiên khi truy n trong không khí tia laser d b h p th , b tán x b i các h t b i, h t mưa nên ph i truy n laser trong s i quang d n. 108
- Tia laser có kh năng h i t vào di n tích nh v i cư ng ñ c c kỳ cao nên có th làm nóng c c b vi mô trên v t và ñư c ng d ng làm dao khoan, c t kim lo i hay các dao m c c kỳ kinh t ho c ñ ñ t các u, t bào ung thư, .... §8.5. QÚA TRÌNH QUANG SINH H C 8.5.1. Quá trình quang sinh Quang sinh h c nghiên c u các quá trình x y ra trong cơ th sinh v t dư i tác d ng c a b c x ñi n t . Các ph n ng x y ra trong cơ th sinh v t khi có ánh sáng tham gia g i là ph n ng quang sinh h c. Các quá trình quang sinh thư ng ñư c xét theo hai m t ch y u là năng lư ng và hi u ng sinh h c. V m t năng lư ng, ph n ng quang sinh có th làm tăng năng lư ng c a h sinh v t, như ph n ng quang h p th c v t. Tuy v y cũng có nh ng ph n ng quang sinh l i làm suy gi m năng lư ng c a h ; Trong trư ng h p ñó ánh sáng ch ñóng vai trò c a ngu n năng n lư ng ho t hoá. .v V m t hi u ng sinh h c, ph n ng quang sinh ñư c chia thành ph n ng sinh lý ch c năng và ph n ng phân hu bi n tính. 4 h ph n ng sinh lý ch c năng, các s n ph m ho c các ch t trung gian c n thi t cho c2 ho t ñ ng s ng ch ñư c t o ra khi có s tham gia c a ánh sáng. Ch ng h n ph n ng t o năng lư ng trong quang h p, ph n ng t o ra các s n ph m quang hoá kích thích lên các cơ ih o quan c a sinh v t t o ra quá trình hư ng sáng th c v t hay nhìn th y ñ ng v t, .... ph n ng phân hu bi n tính thì b c x ñi n t (thư ng là tia laser, tia t ngo i, tia V u gamma, ...) l i gây ra các t n thương hay t o ra nh ng bi n ñ i hoá h c b t thư ng phân t sinh v t; K t qu là gây bi n d các quá trình sinh hoá, t o các ñ t bi n khác nhau m c phân t , th m chí gây ch t cho sinh v t. 8.5.2. Các giai ño n cơ b n c a quá trình quang sinh Quá trình quang sinh g m m t chu i nhi u giai ño n k ti p nhau. Có th phân chia thành các giai ño n cơ b n sau: - Giai ño n quang lý: giai ño n này các phân t trong cơ th sinh v t h p th phôton c a ánh sáng và chuy n lên tr ng thái kích thích và năng lư ng c a phôton ñư c chuy n thành năng lư ng tích lu c a phân t . - Giai ño n quang hoá: Là giai ño n các phân t tr ng thái kích thích tham gia vào các ph n ng quang hoá t o ra nh ng s n ph m quang hoá ñ u tiên. - Giai ño n t i: Các s n ph m quang hoá không b n bi n thành các s n ph m quang hoá b n dư i tác d ng c a các enzim. 109
- Giai ño n hi u ng sinh v t. Dư i ñây chúng ta s tìm hi u k hơn v m t s quá trình quang sinh ñi n hình 8.5.3. M t s quá trình quang sinh ñi n hình a) Quá trình quang h p Khái ni m: Quang h p là quá trình trong ñó th c v t ch a chlorophyll bi n ñ i năng lư ng ánh sáng M t tr i thành năng lư ng quang hoá trong các h p ch t h u cơ b n v ng. Th c ch t c a quá trình quang h p là quá trình kh CO2 nh năng lư ng ánh sáng t o ra các hydrat cacbon (như glucoza, hay các d n xu t c a các ch t h u cơ khác như lipit, protein, gluxit, ...) có th bi u di n quá trình quang h p theo sơ ñ : n CO2 + 2n H2X → (CH2O)n + 2n X ñây X là ch t ñư c s d ng ñ kh khác như lưu huỳnh ho c v ng m t. n CO2 có th là oxy (khi ñó n = 6) ho c các ch t .v 4 h Các giai ño n c a quá trình quang h p: Quá trình quang h p g m hai giai ño n cơ b n là giai ño n sáng (pha sáng) và giai c2 ño n t i (pha t i): ih o - Pha sáng là quá trình ñ u tiên c a quang h p, -8 giai ño n này các s c t h p th phôton ánh sáng (kéo dài kho ng 10 s) và x y ra hàng lo t ph n ng quang hoá, ph n ng enzim d n ñ n gi i phóng ô xy t nư c (kéo dài kho ng 10-3 s). K t qu là t o ra các h p V u ch t có năng lư ng cao như ATP và NADPH2 , th i gian s ng kho ng 10-1 s). - Pha t i x y ra ti p theo, không ñòi h i s tham gia c a phôton. pha này các h p ch t có năng lư ng cao như ATP và NADPH2 ñư c dùng vào quá trình kh CO2 và chuy n hoá hydrat cacbon ( kéo dài kho ng 10-3 s) b) Quá trình th giác Là quá trình mà ngư i và ñ ng v t nh tác d ng c a ánh sáng nh n ñư c thông tin t môi trư ng bên ngoài. Quá trình th giác b t ñ u b ng quá trình v t lý ñó là các quá trình khúc x ánh sáng qua quang h m t và h p th ánh sáng b i các s c t c m quang; Ti p sau quá trình v t lý là quá trình quang hoá. Ánh sáng sau khi khúc x qua quang h m t s t i võng m c. Trên võng m c ch a kho ng 130 tri u t bào hình que và 7 tri u t bào hình nón. t bào hình que có ch a hai lo i 110
s c t c m quang, có c c ñ i h p th là 498 nm và 552 nm; T bào hình nón l i ch a hai lo i s c t c m quang có c c ñ i h p th là 445 nm và 620 nm. Khi ánh sáng tác d ng lên s c t c m quang thì phôton ánh sáng ñư c h p th và năng lư ng hν c a phôton ñư c ñ nh x trong t bào. Ti p ñó x y ra các ph n ng quang hoá mà k t qu là làm xu t hi n m t ñi n th th c m t bào hình que và hình nón. ðó chính là nguyên nhân làm xu t hi n các xung th n kinh d n truy n v não, gây nên c m giác v th giác. Ánh sáng có bư c sóng khác nhau, cư ng ñ khác nhau s gây ra kích thích khác nhau t bào hình que và hình nón, t o ra các ñi n th th c m khác nhau; Do v y t o ra các xung th n kinh khác nhau và các c m giác th giác khác nhau v màu s c cũng như ñ chói sáng. 8.5.4.Tác d ng c a tia t ngo i lên h sinh v t Tuỳ thu c vào bư c sóng ( c a tia t ngo i mà khi tác d ng lên h sinh v t có th gây n ra nh ng k t qu khác nhau. .v Th c nghi m cho th y các tia t ngo i có bư c sóng t 300 nm ñ n 400 nm t o ra nh ng tác d ng sinh lý, sinh hoá có l i như kích thích các quá trình sinh trư ng, phát tri n, 4 h các quá trình sinh t ng h p, các ph n ng men,... Các tia t ngo i có bư c sóng t 200 nm c2 ñ n 300 nm l i gây ra nhi u bi n d di truy n, kh ho t tính và gây ch t sinh v t. T t c các tác d ng trên c a tia t ngo i ñ u có ý nghĩa quan tr ng và ñư c s d ng o nhi u trong lĩnh v c nông, lâm, ngư nghi p. ih V u CÂU H I ÔN T P 1- Khi nào b c x do v t phát ra g i là b c x nhi t? Nêu nh ng ñ i lư ng ñ c trưng cho b c x nhi t. 2- V t ñen tuy t ñ i là th nào ? Nêu ví d v cách t o ra v t ñen tuy t ñ i trong th c t . 3- Trình bày ñ nh lu t Kirchhoff v b c x nhi t. 4- Gi i thích quá trình b c x nhi t theo gi thuy t Plank. 5- Trình bày các quy lu t b c x c a v t ñen tuy t ñ i. 6- Phân bi t hi n tư ng quang ñi n ngo i và quang ñi n n i. Vi t h th c Einstein cho hi n tư ng quang ñi n. 7- M c ñ gi m cư ng ñ ánh sáng khi ñi qua m t môi trư ng ph thu c vào nh ng y u t nào ? Thi t l p ñ nh lu t bi u di n s ph thu c ñó. 111
8- Phân bi t hi n tư ng huỳnh quang v i các hi n tư ng phát b c x khác. Trình bày các quy lu t v huỳnh quang. 9- Trình bày khái ni m và các giai ño n c a quá trình quang sinh. Phân biêt ph n ng sinh lý ch c năng và phân h y bi n tính. 10- Th c ch t c a quá trình quang h p là gì ? Quá trình quang h p x y ra theo m y giai ño n ? 11- Quá trình th giác là gi ? Nêu nguyên nhân gây ra c m giác sáng và c m giác màu s c trong quá trình th giác. .v n 4 h o c2 uih V 112