Квантовые свойства света. 
Лазеры

Люминесценция есть свечение вещества, которое является избыточным над тепловым излучением этого вещества при данной температуре и имеющее длительность от 10−10с и больше.

По продолжительности «послесвечения» люминесценция подразделяется на флуоресценцию (кратковременное «послесвечение») и фосфоресценцию (длительное «послесвечение»).

В зависимости от способа возбуждения люминесценции различают несколько ее видов:

Фотолюминесценция — возбуждается видимым и ультрафиолетовым излучением. Примеры: свечение часового циферблата и стрелок, окрашенных люминофором.

Рентгенолюминесценция — возбуждается рентгеновскими лучами. Пример: свечение экрана рентгеновского аппарата.

Радиолюминесценция — возбуждается радиоактивным излучением. Пример: свечение экрана сцинтилляционного счетчика.

Катодолюминисценция — возбуждается электронным лучом (катодным). Пример: свечение экранов телевизоров, осциллографов, радиолокаторов.

Электролюминесценциявозбуждается электрическим полем. Пример: свечение газоразрядных трубок.

Хемилюминесценция — возбуждается химическими процессами в веществе. Пример: свечение белого фосфора.

Биолюминесценция (частный случай хемилюминесценции) возбуждается химическими процессами в живых организмах. Пример: светлячки. Светящиеся микроорганизмы, черви, рыбы и т. п.

Триболюминесценция возбуждается при деформации кристаллов. Пример: свечение сахара при раскалывании.

Наибольшее практическое применение имеет фотолюминесценция. Экспериментальное изучение спектров фотолюминесценции показало, что они, как правило, отличаются от спектров возбуждающего излучения. Спектр люминесценции и его максимум сдвинуты в сторону более длинных волн относительно спектра, использованного для возбуждения (правило Стокса).

Закономерность Стокса объясняется на основе квантовой теории.

Энергия поглощаемого кванта hнo частично переходит в другие виды энергии, например, в теплоту. Поэтому энергия кванта люминесценции hн должны быть меньше hнo, следовательно, н < нo и л > лo, где л и лo длины волны, соответствующие излученному и поглощенному квантам.

Иногда может иметь место так называемая антистоксовская люминесценция, при которой л < лo. Это бывает в случае, когда молекула уже возбуждена, тогда она испускает квант, но уже большей энергии.

hн > hнo и л < лo.

Существенной особенностью жидких и твердых люминофоров является независимость их спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света. Благодаря этому спектру фотолюминесценции можно судить о природе вещества жидких и твердых люминофоров. Люминесцентный анализ состоит в обнаружении и количественном определении состава вещества по его люминесценции. При люминесцентном анализе наблюдается или собственное свечение или свечение люминофоров, вводимых в тела. Люминесцентный анализ позволяет исследовать вещество без его разрушения. Для люминесцентного анализа используют источники УФ излучения, не содержащие видимого света.

Люминесцентный анализ в криминалистике позволяет обнаружить невидимые следы крови, причем свечение крови человека отличается от свечения крови животных и птиц.

Люминесцентный анализ в ветеринарно-санитарной экспертизе применяют для контроля продуктов питания на мясомолочных контрольных станциях, в пищевых ветеринарных лабораториях и на сельскохозяйственных рынках. Люминесцентный анализ позволяет в считанные минуты определить начальную стадию порчи продуктов питания.

Помимо визуального метода используют и люминесцентную микроскопию. По свечению микропрепаратов можно распознать виды возбудителей инфекционных заболеваний: туберкулеза, сибирской язвы, сальмонеллеза и пр.

Метод иммунофлуоресценции используют для ранней диагностики инфекционных заболеваний животных.

Разновидностью биохемилюминесценции является сверхслабое свечение живых тканей (CCC). ССС растительных и животных тканей представляет собой свечение чрезвычайно низкой интенсивности, которое можно регистрировать фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), имеющими коэффициент усилия 105 — 109. ССС, в отличие от биолюминесценции, обусловлено неферментативными процессами и сопровождает цепную реакцию окисления липидных структур клетки с образованием перекисных радикалов. ССС может быть использовано в диагностических целях, т.к. интенсивность свечения сыворотки крови изменяется при злокачественных новообразованиях, отравлениях, воспалительных процессах.

Лазеры — это квантовые генераторы, т. е. усилители электромагнитных волн. Принцип работы и устройство кристаллического (рубинового) лазера. Рабочее вещество — рубин (окись алюминия Al2O3) с очень малой (0,05%) примесью окиси хрома Cr2O3. Цилиндрический рубин окружен спиральной импульсивной лампой. Лампа дает яркие вспышки при разряде конденсатора, свет лампы — вспышки в рубине преобразуется в импульсное свечение лазера. Зеленый свет импульсной лампы (длина волны 560 нм) переводит ионы хрома с энергетического уровня 1 на уровень 3.

Вероятность спонтанного перехода иона с уровня 3 на уровень 1 меньше вероятности перехода с 3 уровня на 2, а время жизни на уровне (в состоянии) 2 в десятки тысяч раз больше, чем на уровне 3. Поэтому вспышка лампы создает на некоторое время значительную перенаселенность уровня 2 по сравнению с уровнем 1, т. е. обеспечивает инверсное заселение уровня 2. (N2 > N1), и уровень 2 является метастабильным. Затем с перенаселенного уровня 2 начинаются вынужденные переходы ионов хрома на уровень 1, сопровождающиеся испусканием фотонов, соответствующих красному свету.

Лазерный луч является высококогерентным монохроматическим плоско-поляризованным. Важным свойством лазерного излучения является его строгая направленность, характеризуемая очень малой расходимостью светового луча, что является следствием высокой степени пространственной когерентности. Угол расходимости у многих лазеров примерно 10−3 рад, что соответствует одной угловой минуте. Лазерный луч имеет высокую напряженность электрического поля, большую, чем от обычных источников света в 106 раз.

При поглощении лазерного излучения веществом значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологической ткани поглощение происходит избирательно, т.к. входящие в состав тканей клетки, ферменты, гормоны и пигменты имеют различные показатели поглощения и отражения света. Поражение ткани при мощном лазерном облучении сходно с ожогом, возникающим под действием токов высокой частоты, но только с более резкой границей пораженного участка. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при термическом ударе разрушаются первыми. Разрушение ферментов может привести к гибели клеток.

Вследствие термического эффекта происходит коагуляция белков, образование тромбов в венах, а при достаточной интенсивности облучения ткани разрушаются, что используют в лазерной хирургии. В месте падения лазерного луча в ткани возникает тепловое объемное расширение. Вследствие чего появляются механические напряжения. В жидких компонентах клеток и тканей образуется ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. При попадании лазерного луча на кожный покров ткани оно не обязательно вызывает повреждение кожи, но ударная волна, распространяясь во внутренних тканях, может повреждать их без каких-либо внешних проявлений.

Электрическая составляющая лазерного луча образует в биотканях электрические диполи, что приводит к изменению электрических параметров веществ, а также — к деформации тел. Так, при облучении хомяков и морских свинок лазерным облучением с энергией 250 Дж удельное сопротивление печени снижалось в 4 раза, диэлектрическая проницаемость увеличивалась в 8 раз. Ионизация нарушает химические связи в молекулах, приводит к изменению хода биологических процессов в связи с образованием свободных радикалов.

Лазерное облучение применяют для предпосевного облучения семян, для микрозондирования клетки с целью изучения ее жизненных функций, для хирургии в медицине и ветеринарии.