光谱的物理基础.ppt

第十三章光谱的物理基础,掌握：原子、分子光谱的类型和特点、X射线强度和硬度的概念、X射线谱及X射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、X射线的吸收规律、光辐射的三种基本形式和激光特性。熟悉：光谱分析原理、X射线的基本性质、X-CT成像原理、激光的发射原理和激光的生物效应。了解：X射线在医学上的应用、激光器的基本结构和激光在医学上的应用。,第十三章光谱的物理基础,1.光谱电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。光谱的类别从形状区分可分为三类：明线光谱、带状光谱、连续光谱,第一节原子光谱,一、原子光谱,2.原子光谱（atomicspectrum），是由原子中的电子受激发在不同能级间跃迁所产生的光谱。原子光谱的不连续表明了电子的能量是量子化的。,原子光谱的特征：分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。,原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量差小，光子的频率较低；原子的标识X射线谱（详见本章第五节）是内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光子的频率很高。,二、标识X射线谱,第一节原子光谱,1.分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。分子光谱的特征是带状光谱（bandspectrum）。它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光谱中可以有若干个组。,2.分子光谱类型：转动光谱、振动光谱和电子光谱。,第二节分子光谱,一、分子光谱的特点和分类,1.分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子核间的联线）的转动。2.分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分布在远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收光谱。,二、分子的转动光谱,第二节分子光谱,1.构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能级的间隔小。2.分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观测吸收光谱。,三、分子的振动光谱,第二节分子光谱,1.在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形成不同的电子态，每一状态具有一定的能量，即电子能级。2.分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，可观测发射光谱。3.分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转动能量。E=Ee+Ev+Er,四、分子的电子光谱,第二节分子光谱,利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红外光谱图，从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子中各种原子团的存在。,五、红外吸收光谱,第二节分子光谱,第三节拉曼散射光谱,1.红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；而拉曼光谱（Ramanspectrum）是一种散射光谱。两者产生的机制完全不一样。,一、拉曼光谱原理,2.拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。,第三节拉曼散射光谱,二、拉曼散射光谱的特征,1.对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关。,3.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。,2.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧。,1.在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态跃迁到不同的激发态，处于激发态的原子跃迁回基态或较低激发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。2.测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法称为原子发射光谱法（atomicemissionspectrometry,AES）。,第四节光谱分析原理,一、原子发射光谱分析,原子吸收分光光度法（atomicabsorptionspectrometry,AAS）又称原子吸收光谱分析。利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。,二、原子吸收分光光度法,第四节光谱分析原理,荧光分析法（fluorescenceanalysis）通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的发射强度，来测定元素含量的方法。机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。,三、荧光分析法,第四节光谱分析原理,红外光谱法（infraredspectrometry）又称为“红外分光光度分析法”。简称“IR”,分子吸收光谱的一种。利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。,四、红外光谱法,第四节光谱分析原理,紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部分。分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液,用仪器测量入射光被吸收的程度(常用吸光度表示),记录吸光度随波长的变化的曲线,或波长一定时,用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性或定量分析。,五、紫外光谱法,第四节光谱分析原理,1.贯穿作用2.电离作用3.荧光作用4.感光作用5.生物效应,第五节X射线,一、X射线的基本性质,高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯穿能力的差别可以利用。,对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小,对比：脂肪肌肉骨胳,1.贯穿作用,第五节X射线,高能量能使一些物质的原子和分子电离。还可以诱发有机体的各种生物效应,合理利用可用于治疗。,3.荧光作用,能量比较大的光子，照射到某些物质时，能使其原子处于激发态，当它们回到基态时发出荧光。,E=hv,荧光强弱与X射线的强度有关。,2.电离作用,第五节X射线,4.光化学作用,5.生物效应,X射线能使一些物质发生光化学反应。,照相底片感光拍摄X光片的原理,原发机制是X射线在生物体内产生激发和电离，使组织细胞产生损害、抑制，甚至坏死。,是放射治疗的基础，也是X射线工作者应当注意防护的原因。,第五节X射线,产生条件高速度运动的电子流；可以供电子流轰击的靶(或阻碍电子运动的障碍物，把电子的动能转换为X射线的能量。,波长为10-810-12m的电磁波,二、X射线的产生,第五节X射线,2.产生装置X射线管，低压电源，高压电源。,第五节X射线,X射线管:核心部件低压电源:灯丝电子流高压电源:加速电子阳极作用:钨靶作用:产生机制:轫致辐射1%X射线99%热能,3.各部件作用,第五节X射线,4.管电压和管电流,加在两极间的直流高压称为管电压。X射线管内两极间形成的电流称为管电流。,第五节X射线,1.X射线的强度,单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为X射线的强度。用I表示。,i表示X射线光子的频率，Ni为频率为vi的X射线的光子数，h为普朗克常量。,三、X射线的强度和硬度,第五节X射线,X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领：E=hv,2.X射线的硬度,在医学上习惯用管电流来间接表示X射线的硬度，称为千伏率。,第五节X射线,3.X射线硬度对比,第五节X射线,当X射线管内的高速电子流撞击在阳极靶上时，由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以电子受到靶原子核强电场的作用而减速，电子失去的一部分动能就转化为一个X光子的能量而辐射出来,即Ek=h，这种辐射称为韧致辐射。,1.连续X射线(continuousX-rays）,四、X射线谱（X-rayspectrum）,第五节X射线,图15-2X射线谱示意图,第五节X射线,与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长，或称为短波极限。,图15-3钨靶的连续X射线谱,第五节X射线,设管电压为U，电子电荷量为e，则电子在加速电场内获得的动能等于电场对它做的功eU，可以求得X光子的最大能量(max是与短波极限min对应的最高频率，光速为c)，有,上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质种类无关。,第五节X射线,代入数据，同时U用kV作为单位，可得：,第五节X射线,高速电子进入靶内，与原子的内层电子发生强烈的相互作用，使其脱出，原子核内层出现空缺。,外层电子会发生跃迁以填补内层的空缺，跃迁过程中发出一个X光子，其能量hv就是两个能级的能量差。,这种谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱。,2.标识X射线(characteristicX-rays),第五节X射线,下页中的图绘出了钨在较高电压下的X射线谱，当管电压增加到70kV以上时，连续X射线谱在0.02nm附近叠加了四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。当电压继续升高时，连续X射线谱的强度和短波极限发生很大变化，但这四条谱线在图中的位置却始终不变，即它们的波长不变。这些谱线的波长决定于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状光谱，它们可以作为这种元素的标识，因此称这些线状X射线谱为标识X射线谱。,第五节X射线,钨靶在较高电压下的X射线谱,标识X射线发生机理,第五节X射线,实验表明,单色平行X射线通过均匀物质时的吸收规律与光的吸收规律一样可以用下式表示:,式中I0是入射的X射线强度，I是通过厚度为x(cm)的物质层后的X射线强度，是物质的线性吸收系数，单位cm-1。,1.单色X射线的吸收规律,五、X射线的吸收,第五节X射线,如果x的单位为cm，则的单位为cm-1，而m的单位为cm2/g,物质的线性吸收系数和其密度的比值称为质量吸收系数,记作m，即,2.质量吸收系数及质量厚度,xm=x，称为质量厚度,它等于单位面积中，厚度为x的吸收层的质量。xm的常用单位为g/cm2。,第五节X射线,3.半价层,半价层就是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度)。,半价层与吸收系数之间的关系式：,半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色X射线束，半价层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。,式中x1/2为吸收体厚度的半价层，xm1/2为吸收物质厚度半价层。,第五节X射线,4.质量吸收系数与波长和原子序数的关系,式中k是常数，a=3-4，Z是吸收物质的原子序数，是射线X的波长。,吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。,第五节X射线,练习1：若空气中各组分的质量百分比为氮75.5%，氧23.2%，氩1.3%，试计算在能量为20KV光子作用下，空气的质量衰减系数。已知氮，氧，氩的质量衰减系数分别为0.36,0.587和8.31(m2kg-1)。,练习2：人体中肌肉的质量吸收系数和水非常接近，求在相同X射线照射下，肌肉和骨骼的质量吸收系数之比？已知骨骼分子式为Ca3(PO4)2,第五节X射线,1.常规X射线投影成像,由于人体内各种不同的，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度是不同的。将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上，就可以显示出明暗不同的荧光像,称为X射线透视术。如果让透过人体的X射线投射到照相底片上，显影后就可以观察到各处明暗不同的像，称为X射线照相术。,六、X射线的医学应用,第五节X射线,(1)X-CT的基本原理,当强度为I0的单色X射线通过厚度为x的均匀介质后，其强度I=I0ex。如果I0、I和x为已知，则吸收系数的值为：,2.X射线电子计算机断层成像,第五节X射线,对第一个体素有I1=I0e1x；对第二个体素有I2=I1e2x，或I2=I0e(1+2)x；对第n个体素有:,第五节X射线,因此，可将介质吸收系数的总和表示为：,当I和I0都测出之后，就可得出沿X射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和。我们称这个吸收系数的总和为投影值。,第五节X射线,扩展知识：扫描技术,平移扫描旋转扫描,1)平移旋转扫2)静止旋转扫3)旋转旋转扫4)电子束扫,第五节X射线,扩展知识：图像重建方法:滤波反投影法,22矩阵反投影法求解,投影值反投相加减本底，除公约数,水平投求本底8+9,第五节X射线,练习：1)写出滤波反投影过程。,2)现有四体素阵列且在四个方向上的反投影值已填写在各个体素中。求四个体素的成像参数的数值。,第五节X射线,3.CT值和灰度值,经过扫描和图像重建所得到的X-CT图像是一定数量由黑到白不同长度的小方块按矩阵排列方式组成的，这些小放块叫做像素。,第五节X射线,由于人体通常不采用的绝对值,而是取它的相对值，并称为CT值或洪斯菲尔德值，它的定义为,式中为待测组织的吸收系数，水为水的吸收系数。,CT值的单位为“亨，Hu或H”。,第五节X射线,所谓灰度是指黑白或明暗的程度，它是表示图像像素黑白或明暗程度的量，从全黑到全白有无数个不同的灰度。为了获得CT图像，必须将图像各像素的CT值转化为灰度值，得到图像画面的灰度分布，此灰度分布就是X-CT像。可见一个CT值对应一个灰度。如果CT机的CT值按2000个（10000H+1000H）计算，则对应的灰度也为2000个等级，即从全黑（0）到全白（255）。,第五节X射线,窗口(Window)技术也叫灰度放大技术，是指CT机放大或增强某段范围内灰度的技术。先把人体中欲观测组织的CT范围确定为放大或增强的灰度范围，把确定灰度范围的上限以上增强为完全白，把确定灰度范围的下限以下压缩为完全黑，这样就放大或增强了确定灰度范围内不同灰度之间黑白对比的程度。这个被确定为放大或增强的灰度范围叫做窗口，放大的灰度范围上下限之差叫窗宽(windowwidth，WW)，放大灰度范围的中心灰度值叫窗位(windowlevel，WL)。,4.窗口技术,第五节X射线,5.X-CT的临床应用,X-CT主要用来诊断脑部疾病。,全身CT检查对血液循环系统和消化系统的动态检查、妇科病和心脏病等的诊断上不如其他方法。,近年来,已经将CT引入了放射治疗领域，通常可以定量地确定肿瘤的位置、大小、宽度与周围组织的几何关系等。,第五节X射线,激光（Laser，lightamplificationbystimulatedemissionradiation）是受激辐射光放大的简称，1964年经钱学森教授建议而得此名。,第六节激光,一、激光的基本原理,粒子总是处于一定的能态或能级，其中最低的能量状态称为基态其余称为激发态。当原子接受外界能量后，原子可以由基态（低能级）跃迁到较高的能量状态（高能级），转入激发态。粒子处于基态最稳定，而处于激发态则不稳定，寿命较短，大约为1011s103s。若激发态的寿命较长，大于103s或更长，这种激发态称为亚稳态（metastablestate）。,1粒子的能级分布,2玻尔兹曼分布,n是处于能量为E的能级上的粒子数，n0为系统的总粒子数，T为热平衡时的绝对温度，k为玻尔兹曼常数。,第六节激光,原子总是处于一种能量状态中，当其从一个能态（级）向另一个能态（级）跃迁时，将会与外界发生能量交换。若能量交换以光能的形式吸收或释放，叫做光辐射或跃迁幅射，（否则非光辐射或无辐射跃迁）。,自发辐射(spontaneousradiation),受激吸收(absorption),受激辐射(stimulatedradiation),光幅射的三种基本过程：,3光辐射,第六节激光,1）自发辐射,处于高能级的原子在不受外界影响的情况下完全自发地产生跃迁同时释放光子的过程。,各个原子独立发射，诸光子的频率、振动方向、相位都不相同，是非相干光。,在单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数与高能级上的原子数成正比。,普通光源发光均属这种情况。,第六节激光,2)受激吸收,hv,一个原子吸收一个光子而实现从低能级到高能级跃迁的过程称为受激吸收。,光子能量必须满足hv=E2-E1,第六节激光,3)受激辐射,处于高能级E2的原子在受到一个能量为h=E2-E1的光子的“诱发”后，可释放出一个与诱发光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级E1的过程称为受激辐射。,光放大作用,所发出的光波波列频率、振动方向、相位完全相同为相干光。,所发出的光波波列传播方向相同。,激光器是利用受激幅射获得方向性极好的相干光的设备。,第六节激光,4激光产生条件,1）受激辐射多于受激吸收；2）实现粒子数反转分布；3）具有亚稳态能级结构的工作物质；4）光学谐振腔；5）增益大于损耗。,必要条件：激活介质的粒子数反转。充分条件：具有光学谐振腔。,第六节激光,1)粒子数按能级分布规律：热平衡态下，满足玻尔分布。即处于高能态的粒子数少于处于低能态的粒子数，自发辐射占优势。为实现光放大，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势。2)粒子数反转满足条件：要求介质有适当的能级结构，即有两个以上与反转有关且有亚稳态的能级结构。（激活介质）要求有外界能源提供能量，使正常分布下处于低能级的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。,综上分析：,第六节激光,3)实现粒子数反转后，虽然为辐射激光储存了足够的能量，但因为处于高能级上的粒子数可以通过受激辐射发出光子，也可以通过自发辐射发出光子，只有让受激辐射成为工作物质的主要发光过程，才能形成激光。但在常温下，系统中自发辐射几率是受激辐射几率的1035倍，受激辐射发光仍湮灭在自发辐射中。所以，要产生激光还必须使受激辐射压倒自发辐射。通常采用光学谐振腔(opticalresonantcavity)装置，让频率为的光子保持足够高的密度，使受激辐射发光抑制自发辐射，克服受激辐射的随机性，确保激光的定向性、单色性和相干性。,第六节激光,激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。,5.激光器结构-（工作物质、激励装置和光学谐振腔）,第六节激光,6.激光器各部分作用,工作物质：激活介质与一些辅助物质，产生激活的工作能级。,激励装置：向工作物质提供能量，实现抽运（粒子数反转）,光学谐振腔：使激光具有极好的方向性（沿轴线）;增强光放大作用（延长了工作物质）;使激光具有极好的单色性（选频）。使受激辐射在有限体积的激活介质中能持续进行，光可被反复放大形成稳定振荡的装置。,第六节激光,1单色性好2相干性好3方向性好4亮度高,激光的散射角非常小，通常以毫弧计算。激光几乎是平等准直的光束，在其传播的进程中有高度的定向性。手电筒照明时，由于光的散射角大，远达数十米后，光散开并形成大而暗淡的光盘。1962年，将激光发射向月球，经过40多万公里的进程后，其散开的光斑的直径也不过只有两公里多。利用激光的准直性进行测距，从地球到月球之间的误差不超过1.5m。,二、激光特点,第六节激光,1热作用2机械作用3光化作用4强电场作用5生物刺激作用,三、激光的生物效应（biologicaleffectoflaser）,第六节激光,1.激光的临床诊断激光荧光检查术、激光光谱分析法、激光全息摄影术等。2.激光用于治疗激光切割、烧灼、汽化、直接照射等,四、激光在生物医学中的应用,第六节激光,激光的生物刺激和调节作用：小功率的氦氖激光照射的治疗作用基础不是温热效应，而是光的生物化学反应。,激光手术：激光手术是用一束细而准直的大能量激光束，经聚焦后，利用焦点的高能、高温、高压的电磁场作用和烧