X Код для використання на сайті:
Ширина px

Скопіюйте цей код і вставте його на свій сайт

X Для завантаження презентації, скористайтесь соціальною кнопкою для рекомендації сервісу SvitPPT Завантажити собі цю презентацію

Презентація на тему:
Квантово-механічні методи вивчення біооб’єктів

Завантажити презентацію

Квантово-механічні методи вивчення біооб’єктів

Завантажити презентацію

Презентація по слайдам:

Слайд 1

Квантово-механічні методи вивчення біооб’єктів

Слайд 2

План лекції Елементи квантової оптики 1. Особливості вимірювання і поглинання енергії атомами і молекулами. 2. Явище люмінесценції 3. Лазери та їх використання в медицині 4. Електронний парамагнітний резонанс. 5. Ядерний магнітний резонанс. ЯМР – томографія.

Слайд 3

Елементи квантової оптики 1. Особливості вимірювання і поглинання енергії атомами і молекулами. Енергетичні стани атома і молекули схематично зображаються у вигляді рівнів(рис.1). Найнижчий рівень енергії – основний – відповідає основному стану (стаціонарному). При квантових переходах атоми і молекули стрибкоподібно переходять з одного стаціонарного стану в другий, з одного енергетичного рівня на другий. Зміна стану атома зв’язана з енергетичними переходами електронів. В молекулах енергія змінюється також і за рахунок зміни коливань атомів та переходів між обертовими рівнями.

Слайд 4

При переході з більш високих енергетичних рівнів на нижчі атом або молекула віддає енергію, при зворотних переходах поглинає. Розрізняють два типи квантових переходів: а) без випромінювання або поглинання електромагнітної енергії. Такий перехід відбувається при зіткненнях атомів і молекул та інших частинок. Розрізняють непружне зіткнення, при якому змінюється внутрішній стан атома і відбувається перехід без випромінювання енергії, і пружне – із зміною кінетичної енергії атома або молекули, але із збереженням внутрішнього стану. б) випромінюванням або поглинанням фотона. Енергія фотона дорівнює різниці енергій початкового і кінцевого стаціонарних станів атома або молекули (1) Формула (1) виражає закон збереження енергії.

Слайд 5

В залежності від причин, які зумовлюють квантовий перехід з випромінюванням фотона, розрізняють два види випромінювання: Спонтанне випромінювання, при якому внаслідок внутрішніх причин збуджена частинка самостійно переходить на нижчий енергетичний рівень. Вимушене, або індуковане випромінювання, яке виникає при взаємодії фотона із збудженою частинкою, якщо енергія фотона дорівнює різниці енергій рівнів частинки. В результаті вимушеного переходу в одному напрямі випромінюються два фотона: один первинний, вимушуючий, а другий – вторинний, індукований. Енергія, яка випромінюється атомами або молекулами формує спектр випромінювання, а поглинута енергія – спектр поглинання.

Слайд 6

Енергетичні рівні більшості атомів і молекул досить складні. Структура рівнів, а отже і спектрів, залежить не тільки від будови атомів і молекул, але і від зовнішніх умов. Електромагнітна взаємодія електронів приводить до тонкого розщеплення енергетичних рівнів. Вплив магнітних моментів ядер викликає надтонке розщеплення енергетичних рівнів. Зовнішнє електричне і магнітне поле також викликає розщеплення енергетичних рівнів (явища Штарка і Зеємана). Спектри є джерелом різноманітної інформації. Перш за все по виду спектра можна ідентифікувати атоми і молекули, що входить в завдання якісного спектрального аналізу. По інтенсивності спектральних ліній визначають кількість випромінюючих (поглинаючих) атомів – кількісний спектральний аналіз.

Слайд 7

Інтенсивність спектральних ліній визначається числом однакових переходів, які відбуваються в секунду, і тому залежить від кількості випромінюючих (поглинаючих) атомів і ймовірності відповідного переходу. При цьому порівняно легко визначають домішки в концентраціях 10-5 -- 10-6 % і склад зразків дуже малої маси – десятки мікрограм. Якщо враховувати, що по спектру речовини можна зробити висновок про її стан, температуру, тиск і т.п., то треба високо оцінити спектральний аналіз як метод дослідження. В залежності від енергії (частоти) фотона, що випромінюється або поглинається атомом (молекулою), розрізняють такі види спектроскопії: радіо -, інфрачервона, видимого випромінювання, ультрафіолетова і рентгенівська. По типу речовини (джерела спектру) розрізняють, атомні та молекулярні спектри і спектри кристалів.

Слайд 8

Під оптичними атомними спектрами будемо розуміти ті, які зумовлені переходами між рівнями зовнішніх електронів з енергією фотона порядку декількох електрон-вольт у вільних або слабо взаємодіючих атомах. Найбільший інтерес становлять оптичні атомні спектри випромінювання, які отримують від збуджених атомів. Збудження досягається електричним розрядом в газі, нагріванням у полум’ї газових горілок, електричною дугою або іскрою. Розглянемо, як наприклад спектр атома водню. З формули (1), можна отримати формулу для частоти світла яка випромінюється(поглинається) атомами водню: (2) де і та k – порядкові номери рівнів, між якими відбувається квантовий перехід, R – стала Рідберга.

Слайд 9

В спектрі можна виділити групи ліній, які називаються спектральними серіями. Кожна серія відповідає переходам з різних рівнів на один той самий кінцевий. В ультрафіолетовій області розташована серія Лаймана, яка утворюється при переході з вищих енергетичних рівнів на основний рівень. З формули (2) для серії Лаймана отримаємо: (3) Лінія з найбільшою довжиною хвилі має найбільшу інтенсивність. У видимій і близькій ультрафіолетовій ділянках спектра розташована серія Баммера, яка виникає при переходах з вищих рівнів на перший збуджений рівень ( ).

Слайд 10

З формули (3) , для серії Баммера отримаємо: (4) В інфрачервоній ділянці спектра розташована серія Пашена, що виникає при переходах з вищих енергетичних рівнів на другий збуджений рівень ( ). З формули (3), для серії Пашена отримаємо: (5)

Слайд 11

Рис. 1

Слайд 12

В інфрачервоній ділянці спектра існують серії Брекмана і Пфунда. Які не показані на рис.(6.6) Для атомного електронного аналізу використовують як спектри випромінювання (емісійний спектральний аналіз) так і спектри поглинання (адсорбційний спектральний аналіз). Поглинання світла – процес, протилежний випромінюванню. Атом, поглинаючи світло, переходить з нижчих енергетичних станів на вищі. При цьому він поглинає кванти енергії тих самих частот які випромінює під час переходу з вищих енергетичних рівнів на нижчі. В медицині атомний спектральний аналіз використовується для визначення мікроелементів в тканинах організму.

Слайд 13

Молекулою називається найменша частинка даної речовини, яка володіє її основними хімічними властивостями. Молекула складається з однакових чи різних атомів, сполучених в одне ціле міжатомними (хімічними) зв`язками. На деякій відстані r0 між атомами в двохатомній молекулі протилежно направлені сили притягання і відштовхування зрівноважуються. Відстані r0 відповідає найменша взаємна потенціальна енергія Wn (r) атомів двохатомної молекули (рис.6.7). Рівноважна міжатомна відстань r0 в молекулі називається довжиною зв`язку. Величина D називається енергією дисоціації або енергією зв`язку. Вона чисельно дорівнює роботі, яку треба виконати, щоб роз`єднати молекулу на атоми і розвести їх на нескінчену відстань один від одного.

Слайд 14

Рис. 2

Слайд 15

Енергія дисоціації чисельно рівна енергії, що виділяється при утворенні молекули, але протилежна їй за знаком (D - від`ємна) D і r0 - кількісні характеристики хімічних зв`язків, незалежно від їх природи. Іонними (гетерополярними) називаються молекули, які утворюються в результаті перетворення взаємодіючих атомів у протилежно електрично заряджені іони, що притягаються. Приклад Na Cl (Na +Cl-), CsI (Cs+ I-) та ін. Метали І групи мають малий потенціал іонізації, а атоми VII групи характеризуються великою електронною спорідненістю – кількістю енергії, що виділяється при приєднанні електрона до нейтрального атома металоїду.

Слайд 16

Атомними (гомеополярними) називаються молекули, які виникають в результаті взаємного притягання нейтральних атомів. Такий хімічний зв`язок називається ковалентним. Він має властивість насичення, яка виражається в певній валентності атомів. Так атом водню може бути зв`язаний лише з одним атомом водню, атом вуглецю може зв’язати чотири атоми водню, але не більше. Властивість насичення – це істотно не класичний ефект - виключає можливість пояснення хімічних зв`язків гравітаційними силами. Приклад Н2 . В основі квантомеханічного пояснення ковалентного зв`язку лежить принципова неможливість розрізнити тотожні частинки – електрони в молекулі Н2. Це приводить до існування особливої квантомеханічної обмінної взаємодії, що виникає між двома тотожними електронами .

Слайд 17

Молекулярні спектри вже за зовнішнім виглядом значно відрізняються від атомних. Це сукупність більш або менш широких смуг, утворених тісно розміщеними спектральними лініями. Всередині кожної смуги лінії біля одного з її країв розміщуються так тісно, що вони зливаються, і край смуги має розмитий вигляд. Молекулярні спектри за їх характерний вигляд називають смугастими спектрами. З того, що нам відомо про механізм виникнення спектральних ліній, можна зробити висновок, що й у молекулах окрема спектральна лінія повинна виникнути внаслідок зміни енергії молекули.

Слайд 18

Повну енергію молекули можна розглянути як таку, що складається з кількох частин : - енергія поступального руху її центра інерції ; - енергія руху електронів в атомах молекули ; - енергія коливального руху ядер атомів молекули ; - енергія обертального руху молекули як цілого і - ядерна енергія атомів у молекулах: (6) Енергія не квантова на і її зміни не можуть привести до створення молекулярного спектра. Якщо не цікавитись оптичними явищами зумовленими ядерними частинками (надтонкою структурою ), то можна знехтувати у виразі (6) . Отже, енергія молекули, яка визначає її оптичні властивості, складається з суми трьох доданків:

Слайд 19

За правилом Бора частота кванта, який випромінює молекула при зміні її енергетичного стану, дорівнює: (7) де зміни відповідних частин енергії молекули. Вивчення спектра молекул повинно ґрунтуватися на розгляді кожного з доданків (7). Як показують дослід і теоретичні дослідження, ці доданки мають різну величину : чим і пояснюється наявність частот молекулярних спектрів у різних діапазонах електромагнітних хвиль.

Слайд 20

Рис. 3