Fotoelektrický jev Jeden z mechanizmů přeměny primárního záření (elektromagnetické) na sekundární (elektronové = beta) Dopadající foton způsobí ionizaci elektronu Makroskopický projev – pozitivní náboj kovu Význam fotoefektu pro absorpci elektromagnetického záření v látce Dominantní při energiích do cca 0,5 MeV - Cs

Fotoelektrický jev Fotoelektrický jev nastává pouze při frekvencích fotonů vyšších než určitá mez Při nižších frekvencích vůbec nenastává Energie uvolněných elektronů závisí pouze na frekvenci fotonů Nezávisí na intenzitě (množství) fotonového záření Počet uvolněných elektronů je úměrný počtu dopadajících fotonů -

Fotoelektrický jev Vysvětlení Ke srážce dochází na úrovni jednoho fotonu a jednoho elektronu  nemá-li foton dostatečnou energii nemůže dojít k fotoefektu S rostoucí frekvencí fotonů roste jejich energii a tím kinetická energie uvolněných elektronů Vyšší počet dopadajících fotonů  více srážek a více uvolněných elektronů Ef ... energie fotonu Ev ... výstupní práce potřená na uvolnění elektronu z kovu Ekin ... kinetická energie elektronu

Comptonův jev Jeden z mechanizmů přeměny primárního záření (elektromagnetické) na sekundární (elektromagnetické, beta) Dopadající foton se srazí s elektronem o malé kinetické a potenciální energii – volný elektron, vázaný v atomu Comptonův jev dominuje při energiích primárního fotonu větších než 0,5 MeV  -

Comptonův jev Význam pro absorpci Energie primárního fotonu je rozdělena na energii sekundárního fotonu a kinetickou energii elektronu Makroskopický projev – pozorování sekundárního (rozptýleného) elmg. záření o větší vlnové délce než je vlnová délka primárního záření

Největší změna vlnové délky nastává při zpětném rozptylu, =180º Comptonův jev Největší změna vlnové délky nastává při zpětném rozptylu, =180º  cos  1-cos  1 90 180 -1 2 - 

Comptonův vs. fotoelektrický jev Při fotoelektrickém jevu je daný úbytek energie fotonu – výstupní prací Při Comptonově jevu je dané maximální zvýšení vlnové délky fotonu Změna energie souvisí se změnou vlnové délky podle vztahu

Comptonův vs. fotoelektrický jev Málo energetické fotony mají Malou energii  snížení o řádově eV je významné Velkou vlnovou délku  zvýšení o max. 4,85 pm je nepodstatné  Významný je fotoelektrický jev Hodně energetické fotony mají Velkou energii  snížení o řádově eV je nepodstatné Malou vlnovou délku  zvýšení o max. 4,85 pm může být významné  Významný je Comptonův jev

Spektrum elektromagnetického vlnění Rádiové vlny Infračervené (tepelné záření) Viditelné světlo =390-790 nm Ultrafialové záření Rentgenové záření (X-ray) Záření gama (jaderné elektromagnetické záření)

Ultrazvuk je mechanické vlnění, ne elektromagnetické ! Charakteristiky používaného záření a vlnění v diagnostickém zobrazování Ultrazvuk je mechanické vlnění, ne elektromagnetické !

Vznik rentgenového záření Uvolnění elektronu z katody rentgenové lampy Žhavení katody (záporná elektroda) nízkým napětím (220 V) – zdroj elektronů Urychlení elektronu elektrostatickým polem Napětí 40-150 kV  energie elektronu 40-150 keV Přeměna potenciální elektrostatické energie na kinetickou energii elektronu Zrychlený let elektronu od katody k anodě

Vznik rentgenového záření Brždění elektronu blížícího se k atomům anody (wolfram 74W) Zpomalování vlivem odpuzování urychleného elektronu elektrony atomů anody Vysoké protonové číslo  vysoká hustota elektronů Urychlovaná (zpomalovaná) částice vyzařuje elektromagnetické vlnění (fotony) Intenzita úměrná kvadrátu zrychlení a2 Vznik brzdného rentgenového záření o spojitém spektru vlnových délek Rozdílné zpomalení jednotlivých elektronů Částečná ztráta energie letícího elektronu vyzařováním fotonů

Vznik rentgenového záření Dopad elektronu na anodu, excitace atomů materiálu anody (wolfram) Přeměna kinetické energie urychleného elektronu na potenciální elektrostatickou energii elektronu atomu wolframu – excitace Vysoké protonové číslo  silná interakce elektronů s jádrem, velké energetické rozdíly hladin Deexcitace excitovaných elektronů wolframu Vznik charakteristického RTG záření o diskrétních frekvencích (vlnových délkách, energiích) Diskrétnost dána energetickými rozdíly mezi excitovanou a nižší (základní) hladinou

Vznik rentgenového záření Jiné formy ztráty energie urychleného elektronu Přeměna energie urychleného elektronu na kinetickou energii atomů wolframu, vibrace krystalu  neradiační ztráty, přeměna na tepelnou energii anody  zahřívání a nutnost chlazení Rotační anoda V radiodiagnostice je využíváno brzdné záření, charakteristické je potlačováno filtry

Infračervené tepelné záření Každé těleso o nenulové teplotě vysílá elektromagnetické záření Vlnová délka, na které je vyzařován nejvíce energie, je nepřímo úměrná teplotě Wienův zákon posunu Celková vyzářená energie roste se čtvrtou mocninou teploty a velikostí zářivé plochy Stefanův-Boltzmannův zákon Platí přesně pro ideální černé těleso

Infračervené tepelné záření T = 300 K max = 9,7 m  = 390 – 790 nm  T = 7440 – 3670 K

Infračervené tepelné záření Spektrální hustota H Množství vyzářené energie na jednotkový interval vlnové délky Planckův zákon

Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení Obecně jsou energetické stavy rozlišitelných částic obsazovány s pravděpodobností k ... Boltzmannova konstanta, k = 1,38.10-23 J/K Pravděpodobnost stavu klesá s jeho energií Při vysoké teplotě jsou obsazovány i stavy s vyšší energií, při nízké teplotě jen stavy blízké stavu s nejnižší energií (= základní stav)

Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení

Fermiho-Diracovo rozdělení Fermiony jsou částice s poločíselným spinem Energetické stavy fermionů jsou obsazovány s pravděpodobností Toto rozdělení respektuje Pauliho princip, žádný stav nemůže být okupován více než jednou částicí  ... chemický potenciál

Fermiho-Diracovo rozdělení Energetické stavy fermionů jsou obsazovány s pravděpodobností  ... energie nejvyššího zaplněného stavu za nulové teploty

Bose-Einsteinovo rozdělení Bosony jsou částice s celočíselným spinem Nevztahuje se na ně Pauliho princip Libovolný počet bosonů může obsazovat tentýž stav Energetické stavy bosonů jsou obsazovány s pravděpodobností

Princip laseru Deexcitace elektronu Excitace elektronu Spontánní emise fotonu - Excitace elektronu Absorpce fotonu - Stimulovaná emise fotonu Stimulovaná emise fotonu Stimulující foton -

Princip laseru Populační inverze Pravděpodobnost absorpce fotonu vedoucí k excitaci elektronu a pravděpodobnost absorpce stimulujícího fotonu vedoucí k deexcitaci elektronu a emisi dvou fotonů je přesně stejná Za normálních podmínek je vždy počet elektronů na nižší hladině vyšší  nedochází k zesilování světla Nárůst počtu fotonů nastává pouze tehdy, je-li počet elektronů na nižší hladině nižší než počet elektronů na vyšší hladině – stav populační inverze

Princip laseru Dosažení populační inverze Chemický laser Produkt chemické reakce vznikne v excitovaném stavu  populační inverze Laserová komora je fyzicky propojena s reakční komorou Příklad: H2+I2→2HI* Tříhladinové a vícehladinové lasery Využití zakázaných samovolných přechodů mezi některými hladinami z důvodu nepovolené změny kvantových čísel Elektrony jsou čerpány na vyšší hladinu, ze které samovolně přecházejí na nižší hladinu Laser pracuje mezi hladinami se zakázaným přechodem, přechod možný díky interakci se stimulujícím fotonem

Princip tříhladinového laseru Samovolný přechod elektronu Čerpání laseru Stimulující foton Zakázaný přechod Stimulovaná emise fotonu

Princip laseru Dosažení populační inverze Pulsní režim Tříhladinové a vícehladinové lasery Časté využití dvou prvků s velmi podobnými energetickými rozdíly některých hladin (He,Ne) Jeden prvek použit k čerpání laseru, druhý k vlastní stimulované emisi Pulsní režim Střídání čerpání laseru a krátkých (ms) laserových pulsů Kontinuální režim Například chemické lasery