5. Оптичне випромінювання у біології і ветеринарії Рекомендації та формули для роз’язання задач

До оптичного випромінювання відносять електромагнітні хвилі довжиною = 10 нм – 400 мкм, які утворюються при зміні енергетичного стану зовнішніх електронів у атомах та молекулах. Швидкість електромагнітних хвиль с = 3^.10⁸ м/с у вакуумі, а також у повітрі та інших газах при нормальних умовах. Енергія кванта випромінювання, або фотона  = h = hc/, де h=6,625^.10^-34 Дж^.с – стала Планка.

Потік випромінювання визначають як енергію, що пройшла крізь контрольну поверхню за одиницю часу: Ф=Е/t, вимірюють у Вт(ватт). Світловий потік, що сприймається очами, вимірюють у лм ( люмен). Еритемний потік вимірюють у ер, бактеріцидний потік – у бакт.

Силу світла, еритемного і бактеріцидного випромінювання визначають як потік, що припадає та тілесний кут 1 ср (стерад): І=Ф/ΩОдиниці виміру – Вт/ср, для світла – лм/ср = кд (кандела), для еритемного і бактерицидного випромінювання – ер/ср і бакт/ср. Якщо потік однаковий в усіх напрямках, І=Ф/4π.

Світимість визначають як потік, що випромінюється з одиниці поверхні: R =Ф/S Опромінність і освітленість визначають як потік, що падає на одиницю поверхні: Е =Ф/SОдиниці R і E – Вт/м², або лм/м² = лк (люкс), ер/м², бакт/м².

Яскравість визначають як силу випромінювання у заданому напрямку з одиниці поверхні, нормальної до цього напрямку: В= І/Scos, де  - кут між нормаллю до поверхні S і заданим напрямком. Одиниці – Вт/м^2.ср, лк/ср=нт (нит) для світла, ер/м^2.ср, бакт/м^2.ср для ультрафіолета. У тіл, яскравість яких не залежить від напрямку, R= В (закон Ламберта).

Поглинання випромінювання речовиною знаходять за законом Бугера:

I=І_о е^{- l}, де  - коефіцієнт поглинання, l-товщина речовини; або за законом Бугера-Бера:I=І_о е^-Сl, де -питомий коефіцієнт поглинання, С-концентрація речовини, що поглинає.

Кут обертання площини поляризації світла оптично активною речовиною знаходять як  = kl = Cl, де k – коефіцієнт обертання,  - питомний коефіцієнт обертання, С – концентрація речовини, l – її товщина.

Дозволяюча здатність мікроскопу R = l/x = (nsin /2)/0,61, де x - мінімальна відстань, яку можна роздивитись у мікроскопі, n – показник заломлення середовища між об’єктивом і об’єктом,  - апертурний кут об’єктива,  - довжина хвилі випромінювання.

1. .Вікно у віварню має розміри 2,5м^.3м і на нього падає нормально світловий потік 0,11 млм. Коефіцієнт відбивання світла від кожної поверхні скла 4%. Визначити освітленість вікна ззовні і освітленість у віварні. Поглинанням скла знехтувати.

2. .Врахувати у попередній задачі поглинання 50% світла забрудненим склом.

3. .Клітка з тваринами стоїть на підлозі під лампою, що на висоті 5 м. Потужність лампи 250 Вт, світловіддача 12,7 лм/Вт. Клітка накрита склом 60 см ^. 40см, що відбиває 8% світла. Знайти світловий потік і освітленість всередині клітки. Поглинанням скла знехтувати.

4. .При проходженні крізь 10-см кювету з розчином ліків інтенсивність світла зменшилась на 18%. Визначити коефіцієнт поглинання світла.

5. .Інтенсивність світла при проходженні кювети з розчином знизилась на 20%. У скільки зменшиться інтенсивність, якщо концентрація розчину збільшиться у 5 разів?

6. .Визначити найменшу довжину хвилі рентгенівського випромінювання, якщо анодна напруга на рентгенівській трубці 500 кВ.

7. .Короткохвильове ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 200 нм викликає бактеріцидну дію, що зумовлена зміною структури білків. Визначити енергію фотонів випромінювання.

5.8.Яка кількість фотонів ультрафіолетового випромінювання з довжиною. хвилі 320 нм падає на вікно кювети діаметром 6 см за 5 хвилин при опромінності 0,5 мВт/см² ?

5.9.Фотоактивація розчину проводиться випромінюванням гелій-неонового лазеру потужністю 20 мВт. Яка кількість фотонів падає на розчин за 1 хвилину ? Довжина хвилі випромінювання 638,2 нм.

5.10.Лазерний промінь потужністю 2 мВт з довжиною хвилі 630 нм сфокусовано на площі 0,4 мм². Які опромінення площі і кількість фотонів, що падає на мішень за 1 с.

5.11.У реакції фотосинтезу для утворення 1 молекули кисню треба 8 фотонів. Скільки світлової енергії необхідно для утворення 1 молю кисню ? Довжина хвилі 555 нм, коефіцієнт використання світлової енергії 0,2.

5.12.З лікувально-профілактичною метою проводять ультрафіолетове опромінювання молодняку сільськогосподарських тварин. Довжина хвилі 315 нм, опромінність 15 мВт/см². Яка кількість фотонів падає на тіло за 10 хвилин, якщо поверхня тіла 0,7 м² ?

5.13.Поріг візуального відчуття ока людини 3^.10^-17 Дж. Яка кількість фотонів падає у око за 1 с ? Довжина хвилі 555 нм.

5.14.Інтенсивність світла, що пройшла крізь стовбпчик сироватки, зменшилась на 14%. При проходженні крізь такий же шар води інтенсивність світла зменшується на 4%. Визначити коефіцієнт поглинання сироватки. Коефіцієнт поглинання води 0,2 м^-1.

5.15.Визначити коефіцієнт поглинання живої тканини, якщо при проходженні світла крізь шар тканини товщиною 3 см інтенсивність світла зменшується у 5 разів.

5.16.Ультрафіолетова лампа утворює на відстані 3 м від неї при нормальному падінні промінів еритемне опромінювання 30 мер/м². Визначити еритемний потік і еритемну віддачу. Лампа споживає потужність 44 Вт, її розглядати точковим джерелом.

5.17.Для дезінфекції необхідно створити бактеріцидне опромінення 156 бакт/м². Потік випромінювання дорівнює 465 бакт. На якій відстані від чашки Петрі треба розмістити випромінювач ? Останній розглядати точковим.

5.18.У центрі кімнати розміром 4 м ^. 4м на висоті 3 м висить еритемна лампа, яка забезпечує силу еритемного опромінювання 19,9 мер/ср. Визначити еритемну опроміненність у центрі і в кутах кімнати на рівні підлоги.

5.19.Вертикальна поверхня клітини з твариною знаходиться на відстані 6 м від ультрафіолетового джерела, яке складається з 3 ламп. Одна з ламп перегоріла. На якої відстані треба розташувати джерело, щоб опромінення залишилось незмінним ?

5.20.Розчин глюкози з концентрацією 0,28 г/см³ у скляній трубці довжиною 15 см повертає площу поляризації світла на 32. Визначити коефіцієнт питомого обертання глюкози.

5.21.Визначити концентрацію цукру у сечі людини, хворою діабетом, якщо у кюветі цукрометру довжиною 20 см площа поляризації світла повернулась на 4 . Коефіцієнт питомого обертання цукру 6,6 град/см.

5.22.Апертурний кут об’єктиву мікроскопу 70. Яка дозволяючи здатність мікроскопу для червоного світла з довжиною хвилі 630 нм?

5.23.Як зміниться дозволяюча здатність мікроскопу, якщо між об’єктивом і об’єктом помістити гліцерин з показником заломлення 1,48 ?

5.24.У ультрафіолетовому мікроскопі використовують проміні з довжиною хвилі 0,2 мкм. Чи можна побачити рибосоми, якщо їх розмір 30 нм ? Апертурний кут об’ективу 70 .

5.25.Чи можна побачити рибосоми попередньої задачі у сучасний електронний мікроскоп, розрішаючи здібність якого у 100 разів більша ніж ультрафіолетового ?

5.26.Джерело світла уявляє з себе матову кулю діаметром 10 см, сила світла 60 кд. Визначити світловий потік, світимість і яскравість джерела.

5.27.Опромінення Сонцем на межі земної сфери 1,37 кВт/м² (сонячна стала). Яка потужність його випромінювання, якщо відстань до нього 1,5^.10⁸ км ?

5.28.Знайти відношення максимальних сонячних освітленостей земної поверхні 21 березня на екваторі і помірний широті 60.

5.29.На робочих столах пункту ветообслуговування повинно бути освітлення 30 лк. Яку мінімальну силу світла повинна мати лампа, що висить на висоті 3 м від поверхні стола ? Який світловий потік буде давати лампа ? Якою повинна бути потужність лампи, якщо світловіддача 12,6 лм/Вт ?

5.30.При дослідженні гістологічних зразків тканин використовують мікроскопи з імерсійними рідинами. Зразок освітлюють монохроматичним світлом з довжиною хвилі 500 нм. Яким повинен бути апертурний кут мікроскопу, якщо діаметр досліджуваного об’єкту 3^.10^-4 мм, а імерсійна рідина – кедрова олія з показником заломлення 1,52 ?

5.31.Визначити концентрацію розчину цукру, якщо при проходженні світла крізь кювету довжиною 15 см площа поляризації світла повернулась на 24? Коефіцієнт питомого обертання цукру 6,6 град/см.

5.32.Нікотин, що знаходиться у трубці довжиною 10 см, повертає площу поляризації жовтого світла на 136,6. Визначити коефіцієнт питомого обертання нікотину.

5.33.Денне освітлення у приміщенні для птиці повинна бути не менш 20 лк. На якій відстані від лампи потужністю 60 Вт (сила світла 50 кд) забезпечується таке освітлення ?

5.34.Сила світла для Сонця складає 3^.10²⁷ кд. Знайти максимальну опромінність поверхні Землі на екваторі і на помірній широті 60 наприкінці березня. Поглинанням атмосфери знехтувати.

5.35.Яскравість Сонця досягає 5^.10⁶ нт, Місяця – 2,5^.10³ нт, їх кутові діаметри співпадають. Знайти відношення максимального освітлення на Землі від Сонця і Місяця.

5.36.Користуючись відповідями задач 5.34, 5.35, визначити, чи достатнє освітлення від Місяця для доїння, якщо воно повинно бути згідно нормам не менш 75 лк.

5.37.На ядра тваринних і рослинних клітин можна діяти ультрафіолетом з довжиною хвилі 254 нм, який не поглинається цитоплазмою клітин. Яка частота і енергія фотонів ?

5.38.На фермах для дезинфекції повітря застосовують ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 254 нм. Скільки фотонів падають на поверхню тіла тварин площею 0,5 м² за 1 с, якщо середнє опромінення поверхні 6 Вт/м² ?

5.39. Поріг чутливості ока людини до зеленого світла (довжина хвилі 555 нм). 80 фотонів за 1 с. Знайти енергію, що сприймає око за цей час.

5.40.Деякі змії мають термолокатор, чутливість якого для інфрачервоних промінів з довжиною хвилі 10 мкм (що утворюють теплокровні тварини) досягає 1 мкВт. Скільки фотонів в 1 с відповідає цієї чутливості ?

5.41.На якій максимальній вістані змія може виявити мишу у попередній задачі, якщо температура тіла миші 37 С, її поверхня 1 дм² ? Площу термолокатора змії прийняти 1 см², температуру середовища 17 С.

5.42.Згідно рекомендаціям Міжнародного конгресу з фізіотерапії і біології ультрафіолетове випромінювання поділено на 3 ділянки: УФЛ-А (довжина хвилі 400 - 315 нм), УФЛ-В (315 - 280 нм), УФЛ-С (280 - 100 нм). Яким діапазонам частот відповідають ці ділянки ?

5.43.Для знищення вірусу мінімальна доза складає 10⁶ ультрафіолетових фотонів з довжиною хвилі 250 нм. Якій енергії відповідає ця доза ?

5.44.Яка енергія і скільки фотонів потрібно для знищення вірусу попередньої задачі, якщо довжина хвилі випромінювання 300 нм ?

5.45.При біолюмінесценції молекула люциферину за допомогою каталізатора люциферази реагує з молекулою кисню, в результаті на довжині хвилі 562 нм випромінюється енергія 167-334 кДж на 1 моль люциферину. Знайти квантовий вихід (відношення кількості фотонів до кількості молекул що прореагували) люциферазних реакцій.