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

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Quang lượng tử và quang sinh học

1. Ch ươ ng 8 QUANG L ƯNG T VÀ QUANG SINH H C § 8.1. B C X NHI T 8.1.1. B c x nhi t và các đi l ưng đc tr ưng S phát sĩng đin 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 n ăng l ưng cung c p và các d ng b c x cĩ th r t khác nhau, nh ư s phát sáng ca bĩng đèn đin, c a đám l a, c a màn vơ tuy n, c a c i m c, đom đĩm, Bc x c a v t do đưc đt nĩng (n ăng l ưng cung c p cho v t là nhi t n ăng) g i là bc x nhi t. S b c x nhi t c a các v t trong m t h cơ l p cĩ đc đim là h s đt đn tr ng thái cân b ng nhi t (m i v t c a h cĩ cùng nhi t đ). ð đc tr ưng cho quá trình b c x nhi t ng ưi ta đưa ra m t s đi l ưng sau: - V t b c x phát ra các sĩng đin t cĩ b ưc sĩng khác nhau, n u tách ra xét m t kho ng khơng l n c a b ưc sĩng, t λ đn λ + d λ thì n ăng l ưng do m t di n tích dS c a b mt v t phát ra trong m t đơn v th i gian cho kho ng này là dE λ s t l v i đ r ng c a kho ng d λ và dS . Ta vi t: dE λ = r λ. d λ.dS (8.3) 3 r λ g i là n ăng su t b c x c a v t b ưc sĩng λ , trong h SI cĩ đơn v đo là w/ m . - ði l ưng: ∞ R = ∫rλ ⋅ dλ (8.4) Vuihoc24h.vn0 là n ăng l ưng mà m t đơn v di n tích b m t v t b c x phát ra trong m t đơn v th i gian, ng v i m i b ưc sĩng cĩ th cĩ c a b c x ; ðưc g i là n ăng su t b c x tồn ph n hay đ tr ưng c a v t b c x . - Kh n ăng h p th n ăng l ưng b c x c a v t m t kho ng b ưc sĩng d λ. g n b ưc sĩng λ nào đĩ đưc đc tr ưng b i h s h p th a λ ; ðưc đo b ng t s gi a n ăng l ưng b c / x h p th b i v t dE λ và n ăng l ưng b c x chi u đn v t dE λ ng v i kho ng b ưc sĩng đĩ: / dE λ a λ = (8.5) dE λ 98
2. Nh ư v y a λ cĩ giá tr t 0 đn 1 - V t cĩ h s h p th b ng 1 đi v i m i b ưc sĩng g i là v t đen tuy t đi; Nĩ h p th m i b c x chi u t i. Trong t nhiên khơng t n t i v t đen tuy t đi. Ng ưi ta đưa ra mãu v t đen tuy t đi 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 cĩ kh n ăng ra kh i l . 8.1.2. ðnh lu t Kirchhoff v b c x nhi t - Gi a n ăng su t b c x và h s h p th c a vt cĩ m i liên h xác đnh. Ta cĩ th th y điu đĩ qua ví d sau : Hình 8.1 Trong m t bình cách nhi t, chân khơng, cĩ các vt khác nhau v b n ch t, tồn b h tr ng thái cân b ng nhi t, t c là nhi t đ nh ư nhau (hình 8.2). Các v t ch trao đi n ăng l ưng b ng b c x nhi t. Nh ư 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 n ăng lưng nh ư nhau, v t phát ra b c x nào nhi u. thì c ũng h p th nhi u chính b c x đĩ. M i liên h đnh l ưng gi a n ăng su t b c x A1 A3 và h s h p th c a các v t đã đưc xác l p b i Kirchhoff vào n ăm 1895: nhi t đ nh ư nhau, v i A 2 mi b ưc sĩng xác đnh, t s gi a n ăng su t b c x và h s h pVuihoc24h.vn th là nh ư nhau đi v i m i v t. Hình 8.2 rλ rλ rλ e λ ( )1 = ( )2 = = ( )n = (8.6) a λ a λ a λ 1 đây e λ là n ăng su t b c x c a v t đen tuy t đi. ðnh lu t (8.6) cĩ th vi t d ưi d ng: r λ = a λ. e λ (8.7) T đnh lu t ta th y v t đen tuy t đi 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 n ăng su t b c x c a v t đen tuy t đi 99
3. Tp h p t t c các b c x cĩ b ưc sĩng khác nhau mà v t phát ra g i là ph b c x ca v t đĩ. Th c nghi m cho th y ph bc x c a v t đen tuy t đi là liên t c và cĩ m t c c đi (hình 8.3). T đưng cong th c nghi m ta cĩ th rút ra m t s nh n xét: - Khi t ăng nhi t đ c a v t b c x thì c c đi ph b c x d ch chuy n v phía sĩng ng n ∞ - N ăng su t b c x tồn ph n do v t đen tuy t đi phát ra R den = ∫ rλ d. λ , ng v i m i 0 bưc sĩng cĩ th cĩ, đưc tính theo di n tích gi i h n b i đưng cong e λ và tr c hồnh. Ta th y R den t ăng theo nhi t đ c a v t đen. b) Gi thuy t Planck Tr i qua m t th i gian dài khơng cĩ m t lý thuy t v b c x nhi t nào phù h p v i kt qu th c nghi m. ðn n ăm 1900 Planck đã gi i quy t đưc v n đ này. Khác v i v t lý c đin coi s phát và h p th b c x c a v t đen nh ư quá trình liên t c; Planck đưa ra gi thuy t rng v t đen tuy t đi b c x và h p th n ăng l ưng khơng liên t c mà b ng nh ng ph n gián đon xác đnh, g i là l ưng t n ăng l ưng; l ưng t n ăng l ưng ng v i b c x cĩ tn s ν hay b ưc sĩng λ c a b c x là: hc ε = h ν = (v i h là h ng s Planck, e λ λT T1 > T 2 > T 3 h = 6,625.10 -34 Js, c là v n t c ánh sáng trong chân khơng) . T 2 T đĩ Planck đã nh n đưc cơng th c: T1 T Vuihoc24h.vn2 3 2πhc 1 e = λ,T 5 hc λ e kT λ −1 (8.9) Vi k là h ng s Bonltzmann. λ 1 λ2 λ3 λ ðưng cong bi u di n cơng th c (8.9) hồn tồn phù h p v i đưng cong th c nghi m. S d ng cơng th c (8.9), cĩ th vi t l i cơng Hình 8.3 th c (8.7) d ưi d ng: 100
4. 2πhc 2 1 rλ = aλ 5 hc λ e kT λ −1 8.1.4. M t s đnh lu t b c x c a v t đen tuy t đi T cơng th c c a Planck cĩ th tìm l i các đnh lu t th c nghi m v b c x c a v t đen tuy t đi đã đưc xác l p tr ưc đĩ: ∞ 2 dλ - Ta cĩ: R den = 2 πhc ∫ 0 λ5 e( hc / kTλ − )1 hc 2πk 4 T 4 ∞ x 3 dx Nu đi bi n x = thì R = den 2 3 ∫ x kTλ c h 0 e −1 Ly tích phân và nhân v i giá tr các h ng s ta đưc: 4 Rden = σ. T (8.10) ðây là đnh lu t đã đưc Stefan- Boltzmann tìm ra b ng th ưc nghi m; Vi σ = 5,6696.10 -8 (w/ m 2. 0K4 g i là h ng s Stefan- Boltzmann. ðnh lu t cho th y : N ăng su t b c x tồn ph n c a v t đen tuy t đi t l v i lu th a 4 c a nhi t đ tuy t đi c a v t. de λ - Hàm e λ cơng th c (8.9) cĩ c c đi, s d ng điu ki n = 0 ta tìm đưc đnh dλ lu t th c nghi m c a Wein v b ưc sĩng λm ng v i c c đi c a n ăng su t b c x c a v t đen: b λ m = (8.11) Vuihoc24h.vnT Vi b = 0,28987.10 -2 m. 0K g i là h ng s Wein ðnh lu t Steffan- Boltzmann và Wein cho phép xác đnh nhi t đ c a v t khi đo ph bc x c a chúng. Vi c tìm l i đưc các đinh lu t th c nghi m t cơng th c Planck chính là m t minh ch ng n a cho s đúng đn c a gi thuy t và cơng 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
5. Con ng ưi và các đng v t s ng gi đưc m t nhi t đ xác đnh nh kh n ăng điu ch nh thân nhi t; Tuy v y luơn x y ra quá trình trao đi nhi t gi a c ơ th s ng v i mơi tr ưng. S trao đi nhi t x y ra b ng nhi u cách nh ư s ư truy n nhi t, s đi l ưu, bay h ơi hay bc x , h p th . Các quá trình này c ũng ph thu c vào nhi u y u t nh ư tr ng thái c ơ th (nhi t đ, tính linh ho t, ), tr ng thái mơi tr ưng (nhi t đ, đ m, s chuy n đng c a khơng 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 c ơ th m t là do quá trình b c x vào mơi tr ưng; Cơng su t nhi t m t mát cho mơi tr ưng đưc tính theo cơng th c: 4 4 P = S. σ (T 1 – T 0 ) (8.12) Vi S là di n tích ti p xúc v i mơi tr ưng, T 1 là nhi t đ c ơ th , T 0 là nh t đ mơi tr ưng. Cơng th c này cho th y vi c che ph đ gi m s ti p xúc b m t da c a gia súc vi mơi tr ưng trong nh ng ngày giá rét cĩ ý ngh ĩa r t quan tr ng. S b c x nhi t c a c ơ th sinh v t c ũng ph thu c vào đ nĩng c a t ng vùng, nh ng vùng cĩ viêm, u, th ưng cĩ nhi t đ 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 c ơ th ng ưi, gia súc s là m t ph ươ ng pháp đ ch n đốn b nh trong y h c và trong ngành thú y. b) ng d ng c a ngu n b c x m t tr i và ngu n tia h ng ngo i - M t tr i là ngu n b c x nhi t m nh nh t, t o ra s s ng trên trái đt. Thơng l ưng 2 bc x c a m t tr i đn trái đt là 1350w/m , v i c c đi c a ph b c x λm = 0,47 µm, t đĩ cĩ th tính g n đúng nhi t đ b m t b c x c a M t tr i theo đnh 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 đưc quá trình quang h p. Trong y h c b c x mt tr i s d ng đ ch a b nh. Trong nơng nghi p b c x m t tr i dùng đ ph ơi khơ s n ph m m t cách t nhiên ho c đ s y b o qu n các lo i c , qu , d a theo hi u ng l ng kính. Vuihoc24h.vn - B c x h ng ngo i cĩ b ưc sĩng t 0,76 µm đn vùng sĩng vơ tuy n ng n 1 → 2 mm. D a theo đnh lu t Vin ta cĩ th tính ra nhi t đ c a v t phát b c x h ng ngo i t 1,5 0K đn 3800 0K; ðiu này cĩ ngh ĩa là điu ki n bình th ưng , t t c các v t r n, l ng đu là các ngu n b c x h ng ngo i. Các ngu n b c x h ng ngo i cĩ cơng su t l n đưc s d ng trong s y s n ph m ch t l ưng cao (thĩc gi ng, các lo i h i s n xu t kh u, ), dùng đ s ưi m và ch a b nh, §8.2. HI N T ƯNG QUANG ðIN VÀ NG D NG 8.2.1. Hi n t ưng quang đin Hi n t ưng quang đin là hi n t ưng x y ra khi chi u ánh sáng thích h p vào m t v t làm nĩ phát ra electron (g i là hi n t ưng quang đin ngồi) ho c b t electron kh i liên k t 102
6. thành electron t do trong v t, d n đ n làm thay đi tính d n đin c a v t, hay làm xu t hi n mt su t đin đng trong v t (g i là hi n t ưng quang đin trong). D ưi đây ta xét chi ti t h ơn hi n t ưng đĩ: - Hi n t ưng quang đin ngồi khi quan sát ch t khí trên các nguyên t , phân t riêng bi t chính là s quang ion hố. - Hi n t ưng quang đin ngồi kim lo i là quá trình electron t do c a kim lo i h p th phơton c a ánh sáng nên t ăng đng n ăng, electron này chuy n đng đn b m t và b t kh i kim lo i. Quá trình này đưc mơ t đnh l ưng b ng ph ươ ng trình Einstein: mv 2 h ν = A + (8.1) 2 mv 2 đây h ν là n ăng l ưng c a phơton, là đng n ăng c a electron bay ra kh i kim 2 lo i, A là cơng b t electron. Theo h th c trên, hi n t ưng quang đin ch x y ra khi t n s hay b ưc sĩng λ c a bc x chi u t i kim lo i tho mãn: hc hν = ≥ A λ Giá tr gi i h n c a t n s ν0 hay b ưc sĩng λ0 đ cĩ hi n t ưng quang đin xác đnh hc theo h th c: h ν0 = = A λ 0 hc Tc là: = λ0 (8.2) Vuihoc24h.vnA λ0 g i là gi i h n quang đin c a kim lo i - hi n t ưng quang đin trong, khi chi u ánh sáng vào ch t bán d n hay đin mơi mà n ăng l ưng c a phơton đ đ b t electron kh i liên k t thành electron t do thì k t qu là đ d n đin c a ch t t ăng lên. C ũng t ươ ng 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; ðin tr ưng 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 đin đng quang đin. 8.2.2. ng d ng c a hi n t ưng quang đin Dng c ph bi n nh t ng d ng hi n t ưng quang đin ngồi là t bào quang đin; ðĩ là m t bình chân khơng, bên trong đt hai đin c c là an t và kat t (nh y v i ánh sáng). 103
7. 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 to nên dịng quang đin. Trong các t bào quang đin đc bi t ng ưi ta l p thêm các đin c c đ phát electron th c p và các b ph n khu ch đi đ t ăng dịng quang đin lên nhi u l n. Trong sinh h c các thi t b này đưc dùng đ ghi l i các phát quang sinh h c y u. Ngồi ra ng ưi ta cịn dùng các t bào quang đin nh y v i tia h ng ngo i đ ghi l i các vùng nĩng khơng nhìn th y trên b m t v t; Thi t b này cĩ th dùng đ ch n đốn b nh cho ng ưi và gia súc. Khi ch p nh ch n đốn b nh b ng tia Roentgen, th ưng ph i s d ng c ưng đ y u đ khơng nh h ưng đn c ơ th ; Do v y đ cĩ đưc nh rõ nét ng ưi ta ng dung hi n t ưng quang đin ngồi đ bi n đi nh t vùng ph này sang vùng ph khác. Thi t b ng d ng hi n t ưng quang đin 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, đây là thi t b dx bi n đi quang n ăng thành đin n ăng cĩ hi u su t cao và đưc dùng làm ngu n cung c p đin n ăng cho các 0 vùng xa xơi h o lánh hay các thi t b Io i i+ di I trên tàu v ũ tr , trên v tinh nhân t o, Các quang tr ng d ng hi n tưng quang d n l i dùng nhi u trong các h th ng điu khi n t đng. §8.3. H P TH ÁNH SÁNG VÀ Hình 8.4 NG D NG - C ưng đ ánh sáng truy n t i mơi tr ưng v t ch t cĩ th gi m do ph n x , do s tán x b i nguyênVuihoc24h.vn t , phân t v t ch t và m t ph n bi n thành nhi t đt nĩng mơi tr ưng. Ph n năng l ưng bi n thành nhi t đĩ đưc g i là ph n b mơi tr ưng h p th . - ð xác l p đnh lu t h p th , ta gi s chi u m t chùm sáng đơn s c c ưng đ I 0 vào lp mơi tr ưng gi i h n b i hai m t ph ng song song, cĩ b d y l . - Xét m t l p mơi tr ưng đ m ng dx, khi đĩ m c đ làm y u c ưng đ sáng dI s càng l n n u b d y l p mơi tr ưng càng l n và c ưng đ sáng I chi u vào l p càng l n; T c là: dI dI = - kI dx hay: = - k dx I 104
8. k là h s t l d ươ ng, ph thu c b n ch t c a mơi tr ưng và b ưc sĩng ánh sáng, g i là h s hp th c a mơi tr ưng. D u (-) th hi n c ưng đ sáng qua mơi tr ưng gi m. Ly tích phân hai v v i các gi i h n t ươ ng ng (nh ư hình v 8.4) ta cĩ: Il dI l ⇒ −kl ∫ = ∫ − kdx I l = I 0 e (8.13) I I0 0 ðây chính là cơng th c c a đnh lu t Buger: Khi b d y mơi tr ưng t ăng theo c p s cng thì c ưng đ sáng qua mơi tr ưng gi m theo c p s nhân. - ði v i mơi tr ưng h p th là dung d ch, th c nghi m cho th y khi dùng dung d ch lỗng, h s h p th k t l v i n ng đ dung d ch C, t c là: k = αC (8.14) Vi α là h s t l ph thu c b ưc sĩng và ch t hồ tan trong dung d ch g i là n ăng su t h p th c a ch t tan. Thay (8.14) vào đnh lu t Buger (8.13) ta đưc đnh lu t Buger – Beer: −αcl I l = I 0 e. (8.15) I ði l ưng D = lg ( 0 ) = α.C. l g i là m t đ quang I Vi dung d ch g m nhi u ch t hồ tan cĩ n ng đ m i ch t là C 1, C 2, , C n thì m t đ quang c a dung d ch: D = D 1 + D 2 + + D n = ( α1 C 1 + α2 C 2 + + αn C n). l đây αi là n ăng su t h p th riêng c a các ch t t ươ ng ng ðnhVuihoc24h.vn lu t Buger – Beer đưc ng d ng nhi u trong sinh h c, y h c. Ch ng h n đ xác đnh n ng đ các dung d ch sinh h c, hay xác đnh l ưng ơ xy huy t s c t , §8.4. S PHÁT QUANG VÀ NG D NG 8.4.1. M t s khái ni m Hu h t các v t khi b kích thích b ng các tác nhân v t lý hay hố h c, thì cĩ th phát b c x . Trong tồn b các b c x mà v t phát ra, cĩ 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 d ư l i là phát quang. B c x ph n x và tán x s t t ngay (trong kho ng 1 chu k ỳ dao đng c a b c x , kho ng 10 -10 s) sau khi ng ng kích thích v t, nh ưng b c x phát quang v n kéo dài lâu h ơn (t vài chu k ỳ c a dao đng c a b c x cho đn vài ngày). 105
9. Vì v y cĩ th đnh ngh ĩa: Phát quang là hi n t ưng phát b c x cịn d ư ngồi b c x nhi t c a m t v t và b c x cịn d ư đĩ kéo dài m t th i gian lâu h ơn m t chu k ỳ dao đng c a bc x sau khi ng ng kích thích. Phát quang là quá trình phát b c x khơng cân b ng, t c là khơng cĩ s cân b ng nhi t gi a v t phát quang và các v t xung quanh. Cĩ th phân lo i hi n t ưng phát quang theo n ăng l ưng cung c p cho v t: Quang phát quang, hố phát quang, Ta ch gi i h n xét hi n t ưng quang phát quang, khi đĩ d a theo th i gian kéo dài phát quang, ng ưi ta l i phân chia thành: - Hu ỳnh quang : N u s phát quang t t ngay sau khi ng ng kích thích (m t khơng phát hi n đưc) - Lân quang : N u s phát quang cịn kéo dài (m t phát hi n đưc) sau khi ng ng kích thích v t. Tuy nhiên s phân chia nh ư v y c ũng ch cĩ tính ch t t ươ ng đi. Ng ưi ta cịn phân lo i phát quang d a theo s ph thu c c a th i gian kéo dài phát quang vào nhi t đ. Theo cách phân lo i này, n u th i gian kéo dài phát quang khơng ph thu c vào nhi t đ thì đĩ là hu ỳnh quang; N u th i gian kéo dài phát quang ph thu c nhi t đ thì đĩ là lân quang. Phát quang cịn đưc phân lo i theo c ưng đ b c x hay ph b c x mà v t phát ra. 8.4.2. Các quy lu t v hu ỳnh quang a) Quy lu t v th i gian phát sáng trung bình Sau khi ng ng kích thích v t phát quang, thì c ưng đ ánh sáng phát quang I gi m theo th i gian t theo quy lu t hàm lu th a: – t / τ Vuihoc24h.vn I = I 0 e (8.16) Vi I 0 là c ưng đ sáng t i t = 0, τ g i là E HT H.Q th i gian phát sáng trung bình; ðĩ là kho ng th i gian mà sau đĩ c ưng đ ánh sáng phát quang I gi m đi e l n: I = 0 e Trong hi n t ưng hu ỳnh quang, th i gian O λ λ λ phát sáng trung bình τ khơng ph thu c nhi t đ ht pq (nm ) vt phát quang và cĩ tr s t 10 -9 đn 10 -4 s Hình 8.5 b) ðnh lu t Stock 106
10. Th c nghi m cho th y khơng ph i m i b c x đơn s c đu kích thích đưc s phát quang c a mt ch t mà ch nh ng b c x đơn s c n m trong mi n h p th c a ch t đĩ m i cĩ th kích thích đưc 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 đĩ. Ph h p th c a m i ch t cĩ m t c c đi xác đnh. Khi kích thích v t phát quang (dù ch b ng m t b c x đơn s c n m trong mi n h p th ) thì v t c ũng 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 đã tìm đưc đnh lu t: C c đi c a ph phát quang c a m t ch t bao gi c ũng m t b ưc sĩng l n h ơn b ưc sĩng ng v i c c đi c a ph h p th c a ch t đĩ (hình 8.5). c) ðnh lu t Vavilop Ng ưi ta đnh ngh ĩa hi u su t phát quang η là t s gi a n ăng l ưng phát quang E Pq và năng l ưng h p th E ht c a v t: E pq η = E ht η cĩ th nh n giá tr t 0 đn 1 và đi v i m t ch t thì η ph thu c vào b ưc sĩng λ c a bc x kích thích. Vavilop đã xét hi u su t phát quang ng v i m t b ưc sĩng λ0 c a ánh sáng phát quang khi thay đi b ưc sĩng kích thích λ và tìm đưc quy lu t: η Hi u su t phát quang t ăng t l v i b ưc 1.0 sĩng kích thíchVuihoc24h.vn cho đn tr s λ = λ0 thì hi u 0.8 su t phát quang b ng 1 sau đĩ hi u su t phát 0.6 quang gi m đt 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 đang phát quang ng ưi ta λ th y hi u su t phát quang thay đi m nh khi 0 0 λ thay đi nng đ ch t phát quang, n ng đ t p Hình 8.6 ch t, đ PH c a mơi tr ưng, nhi t đ, Nu hi u su t phát quang gi m do nguyên nhân nào thì ng ưi ta nĩi cĩ s làm t t phát quang vì lý do đĩ. 107
11. Ch ng h n n u t ăng n ng đng dung d ch phát quang đn m t gi i h n s x y ra làm tt phát quang do n ng đ; Nh ư dung d ch Fluoretxein trong n ưc b t t phát quang khi n ng đ 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 hu ỳnh quang trong sinh h c - Trong nghiên c u sinh h c, phân tích ph hu ỳnh quang giúp cho vi c xác đnh m t cách đnh tính c ũng nh ư đnh l ưng các thành ph n ch a trong d ch chi t sinh h c ho c xác đnh n ng đ các lo i vitamin (tr vitamin C khơng phát quang). - Ph kích thích hu ỳnh quang đưc ng d ng trong nghiên c u s v n chuy n n ăng lưng gi a các phân t sinh v t, 8.4.3. S phát quang c ưng b c. ng d ng c a tia laser Khi chi u b c x đin t vào m t mơi tr ưng b c x g m các nguyên t , phân t tr ng thái kích thích (mơi tr ưng kích ho t) thì các nguyên t , phân t c a mơi tr ưng s chuy n m c n ăng l ưng và phát ra m t t p h p các b c x cĩ cùng t n s , cùng phân c c, cùng pha v i b c x kích thích. K t qu là c ưng đ t ng h p c a b c x đưc sinh ra s l n hơn r t nhi u so v i c ưng đ b c x chi u vào ban đu. S phát quang nh ư v y g i là phát quang c ưng b c. Bc x phát ra d i t n sĩng vơ tuy n g i là maser cịn d i t n ánh sáng nhìn th y gi là laser. Bc x laser cĩ tính ch t đc bi t là bĩ l i trong m t tia h p, ít b n ra theo kho ng cách truy n đi. Tia laser cĩ đ đơn s c c c k ỳ cao, cĩ kh n ăng h i t vào m t di n tích c c kỳ h p (c λ2) nên t o đưc m t c ưng đ b c x c c k ỳ cao. Cĩ nhi u ng d ng trong th c t d a trên vi c khai thác các tính ch t đc bi t c a tia laser: Vuihoc24h.vn - Do tính ch t c c k ỳ đơn s c và r t m nh, r t m nh cĩ đ k t h p cao, laser đưc ng dng trong đo l ưng chính xác, in, ch p và t o nh; Ch ng h n đ đo kho ng cách t Trái đt đn M t tr ăng mà dùng laser cĩ λ = 1 µm thì ch c n đt trên M t tr ăng m t g ươ ng ph n x cĩ đưng kính 10 cm; Trong khi đĩ dùng sĩng vơ tuy n λ = 1m thì c n g ươ ng đưng kính 20m. - Tia laser cĩ t n s cao g p kho ng m t tri u l n sĩng vơ tuy n nên cho phép truy n đưc tín hi u trong d i r ng. Ch ng h n m t sĩng laser cĩ th truy n 200 kênh truy n hình trong khi đĩ m t sĩng vơ tuy n UHF ch truy n đưc m t kênh. Tuy nhiên khi truy n trong khơng khí tia laser d b h p th , b tán x b i các h t b i, h t m ưa nên ph i truy n laser trong si quang d n. 108
12. - Tia laser cĩ kh n ăng h i t vào di n tích nh v i c ưng đ c c k ỳ cao nên cĩ th làm nĩng c c b vi mơ trên v t và đưc ng d ng làm dao khoan, c t kim lo i hay các dao m c c k ỳ kinh t ho c đ đt các u, t bào ung th ư, §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 c ơ th sinh v t d ưi tác d ng ca b c x đin t . Các ph n ng x y ra trong c ơ th sinh v t khi cĩ ánh sáng tham gia g i là ph n ng quang sinh h c. Các quá trình quang sinh th ưng đưc xét theo hai m t ch y u là năng l ưng và hi u ng sinh h c. V m t n ăng l ưng, ph n ng quang sinh cĩ th làm t ăng n ăng l ưng c a h sinh v t, nh ư ph n ng quang h p th c v t. Tuy v y c ũng cĩ nh ng ph n ng quang sinh l i làm suy gi m n ăng l ưng c a h ; Trong tr ưng h p đĩ ánh sáng ch đĩng vai trị c a ngu n n ăng lưng ho t hố. V m t hi u ng sinh h c, ph n ng quang sinh đưc chia thành ph n ng sinh lý ch c n ăng và ph n ng phân hu bi n tính. ph n ng sinh lý ch c n ăng, các s n ph m ho c các ch t trung gian c n thi t cho ho t đng s ng ch đưc t o ra khi cĩ s tham gia c a ánh sáng. Ch ng h n ph n ng t o năng l ưng trong quang h p, ph n ng t o ra các s n ph m quang hố kích thích lên các c ơ quan ca sinh v t t o ra quá trình h ưng sáng th c v t hay nhìn th y đng v t, ph n ng phân hu bi n tính thì b c x đin t (th ưng là tia laser, tia t ngo i, tia gamma, ) l i gây ra các t n th ươ ng hay t o ra nh ng bi n đi hố h c b t th ưng phân t sinh v t; K t qu là gây bi n d các quá trình sinh hố, t o các đt bi n khác nhau m c phân t, th m chí gây ch t cho sinh v t. 8.5.2. Các giaiVuihoc24h.vn đon c ơ b n c a quá trình quang sinh Quá trình quang sinh g m m t chu i nhi u giai đon k ti p nhau. Cĩ th phân chia thành các giai đon c ơ b n sau: - Giai đon quang lý: giai đon này các phân t trong c ơ th sinh v t h p th phơton ca ánh sáng và chuy n lên tr ng thái kích thích và n ăng l ưng c a phơton đưc chuy n thành năng l ưng tích lu c a phân t . - Giai đon quang hố: Là giai đon các phân t tr ng thái kích thích tham gia vào các ph n ng quang hố t o ra nh ng s n ph m quang hố đu tiên. - Giai đon t i: Các s n ph m quang hố khơng b n bi n thành các s n ph m quang hố b n d ưi tác d ng c a các enzim. 109
13. - Giai đon hi u ng sinh v t. Dưi đây chúng ta s tìm hi u k h ơn v m t s quá trình quang sinh đin hình 8.5.3. M t s quá trình quang sinh đin hình a) Quá trình quang h p Khái ni m: Quang h p là quá trình trong đĩ th c v t ch a chlorophyll bi n đi n ăng l ưng ánh sáng M t tr i thành n ăng l ưng quang hố trong các h p ch t h u c ơ b n v ng. Th c ch t c a quá trình quang h p là quá trình kh CO 2 nh n ăng l ưng ánh sáng t o ra các hydrat cacbon (nh ư glucoza, hay các d n xu t c a các ch t h u c ơ khác nh ư lipit, protein, gluxit, ) cĩ th bi u di n quá trình quang h p theo s ơ đ: n CO 2 + 2n H 2X → (CH 2O) n + 2n X đây X là ch t đưc s d ng đ kh CO 2 cĩ th là oxy (khi đĩ n = 6) ho c các ch t khác nh ư l ưu hu ỳnh ho c v ng mt. Các giai đon c a quá trình quang h p: Quá trình quang h p g m hai giai đon c ơ b n là giai đon sáng (pha sáng) và giai đon t i (pha t i): - Pha sáng là quá trình đu tiên c a quang h p, giai đon này các s c t h p th phơton ánh sáng (kéo dài kho ng 10 -8 s) và x y ra hàng lo t ph n ng quang hố, ph n ng enzim d n đn gi i phĩng ơ xy t n ưc (kéo dài kho ng 10 -3 s). K t qu là t o ra các h p -1 ch t cĩ n ăng l ưng cao nh ư ATP và NADPH 2 , th i gian s ng kho ng 10 s). - Pha t i x y ra ti p theo, khơng địi h i s tham gia c a phơton. pha này các h p ch t cĩ n ăng l ưng cao nh ư ATP và NADPH 2 đưc dùng vào quá trình kh CO 2 và chuy n hố hydrat cacbonVuihoc24h.vn ( kéo dài kho ng 10 -3 s) b) Quá trình th giác Là quá trình mà ng ưi và đng v t nh tác d ng c a ánh sáng nh n đưc thơng tin t mơi tr ưng bên ngồi. Quá trình th giác b t đu b ng quá trình v t lý đĩ 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 hố. 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 nĩn. t bào hình que cĩ ch a hai lo i 110
14. sc t c m quang, cĩ c c đi h p th là 498 nm và 552 nm; T bào hình nĩn l i ch a hai lo i sc t c m quang cĩ c c đi h p th là 445 nm và 620 nm. Khi ánh sáng tác d ng lên s c t c m quang thì phơton ánh sáng đưc h p th và n ăng lưng h ν c a phơton đưc đnh x trong t bào. Ti p đĩ x y ra các ph n ng quang hố mà kt qu là làm xu t hi n m t đin th th c m t bào hình que và hình nĩn. ðĩ 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 cĩ b ưc sĩng khác nhau, c ưng đ khác nhau s gây ra kích thích khác nhau t bào hình que và hình nĩn, t o ra các đin 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 c ũng nh ư đ chĩi sáng. 8.5.4.Tác d ng c a tia t ngo i lên h sinh v t Tu ỳ thu c vào b ưc sĩng ( c a tia t ngo i mà khi tác d ng lên h sinh v t cĩ th gây ra nh ng k t qu khác nhau. Th c nghi m cho th y các tia t ngo i cĩ b ưc sĩng t 300 nm đn 400 nm t o ra nh ng tác d ng sinh lý, sinh hố cĩ l i nh ư kích thích các quá trình sinh tr ưng, phát tri n, các quá trình sinh t ng h p, các ph n ng men, Các tia t ngo i cĩ b ưc sĩng t 200 nm đn 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. Tt c các tác d ng trên c a tia t ngo i đu cĩ ý ngh ĩa quan tr ng và đưc s d ng nhi u trong l ĩnh v c nơng, lâm, ng ư nghi p. CÂU H I ƠN T P 1- Khi nào b c x do v t phát ra g i là b c x nhi t? Nêu nh ng đ i l ưng đ c tr ưng choVuihoc24h.vn b c x nhi t. 2- Vt đen tuy t đ i là th nào ? Nêu ví d v cách t o ra v t đen tuy t đ i trong th c t. 3- Trình bày đnh 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 đen tuy t đ i. 6- Phân bi t hi n t ưng quang đin ngo i và quang đin n i. Vi t h th c Einstein cho hi n t ưng quang đin. 7- Mc đ gi m c ưng đ ánh sáng khi đi qua m t mơi tr ưng ph thu c vào nh ng yu t nào ? Thi t l p đ nh lu t bi u di n s ph thu c đĩ. 111
15. 8- Phân bi t hi n t ưng hu ỳnh quang v i các hi n t ưng phát b c x khác. Trình bày các quy lu t v hu ỳnh quang. 9- Trình bày khái ni m và các giai đon c a quá trình quang sinh. Phân biêt ph n ng sinh lý ch c n ăng 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 đon ? 11- Quá trình th giác là gi ? Nêu nguyên nhân gây ra c m giác sáng và c m giác màu sc trong quá trình th giác. Vuihoc24h.vn 112