Лекция: ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Как известно, между внутренней и наружной поверхностями мембраны существует разность потенциалов dφ, которая обуславливает наличие в мембране толщиной dх электрического поля с напряжённостью

, (9)

где dφ / dх – градиент потенциала на мембране. На отдельный ион зарядом n∙e в мембране будет действовать сила, где е – элементарный заряд, n – валентность иона. Тогда, сила, действующая на 1 моль ионов:

, (10)

где NА – число Авагадро, а F = е∙NА – число Фарадея.

Скорость установившегося направленного движения частиц под воздействием силы :

, (11)

где um – подвижность одного моля ионов – коэффициент пропорциональности между скоростью и силой ( ): = um∙ .

Теперь поток ионов через поперечное сечение S:

, (12)

где c – молярная концентрация ионов.

Плотность потока ионов обусловленная градиентом потенциала Jэл = Фэл / S = υ∙c:

. (13)

В общем случае перенос ионов через мембрану определяется двумя факторами: градиентом концентрации частиц и градиентом потенциала

электрического поля мембраны – уравнением Нернста-Планка:

(14)

С энергетической точки зрения явления переноса будут описываться через изменение электрохимического потенциала. В общем случае плотность потока частиц через мембрану определяется уравнением Теорелла:

, (15)

где с – концентрация носителя, u – его подвижность, dμ / dх – градиент электрохимического потенциала – dμ.

. (16)

4. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ

В настоящее время для исследования и оценки про­ницаемости мембран применяют следующие основные ме­тоды: осмотические, индикаторные, химические, радиоактивных изотопов, измерения электропроводности.

Осмотические методы основаны на наблюдении за кинетикой изменения объема клеток при помещении их в гипертонические растворы разной концентрации. Когда клетки помещают в гипертонический раствор исследуе­мого вещества, то вследствие выхода из них воды объем их уменьшается. По мере поступления исследуе­мого вещества в клетку разность осмотического давле­ния между клеткой и средой уменьшается, и клетка вос­станавливает свой первоначальный объем. Наблюдая за скоростью восстановления объема клеток, можно судить о скорости проникновения в них вещества. С целью объ­ективной регистрации этих процессов применяют цент­рифугирование взвеси клеток и визуальное определение их суммарного объема с помощью гематокрита, измерение прозрачности, а также определение изменений показателя преломле­ния клеток и суспензионной жидкости.

Недостатком данного метода: он применим только для работы с отдельными и довольно крупными клетками (водорослями, эритроцитами). Этот метод неприменим так же при исследовании проницаемости для сахаров и аминокислот, так как при больших концентрациях этих веществ мембрана для них непроницаема, а при малых концентрациях трудно уло­вить изменения объема клеток.

Индикаторные методы основаны на изменении окрас­ки клеточного содержимого при поступлении в клетку определенных веществ. В клетку вначале вводят индика­тор, а затем помещают ее в раствор исследуемого ве­щества. При поступлении в клетку этих веществ наблю­дается окрашивание. Если исследуемое вещество само является красителем, то необходимость в предваритель­ном введении индикатора отпадает. К недостаткам дан­ного метода следует отнести то, что небольшие концент­рации красителей трудно обнаружить, а большие токсичны. Данный метод дает в основном лишь качественный ответ: проникает вещество в клетку или не проникает.

Химические методы основаны на обычном качествен­ном и количественном определении содержания веществ в клетках или в среде. Клетки помещают в раствор исследуемого вещества и через некоторое время определяют концентрацию этого вещества в клетках или в растворе. Метод дает особенно хорошие результаты при работе с крупными клетками.

Методы радиоактивных изотопов основаны на приме­нении изотопов, обладающих радиоактивностью. При этом исследуемое вещество метят, т. е. включают в состав молекулы иссле­дуемого вещества радиоактивный (меченый) атом, взамен такого же, но не радиоактивного Если исследуемое вещество находится в виде атомов или ионов, то просто подмешивают в вещество их радиоактивные изото­пы. Теперь поступление этого вещества в клетку можно зафиксировать с помощью счетчика радиоактивных частиц. Поскольку радиоактивность клетки пропорциональна количеству поступившего в нее вещества, этот метод дает количе­ственные результаты. При измерении потока вещества из клеток в среду предварительно вводят ме­ченные атомы в клетки. Это производится или путем микроинъекции, или путем выращивания культуры клеток в среде, содержащей данное радиоак­тивное вещество. В последующем измеряют выходящие из клеток потоки данного вещества.

Изотопный метод является наиболее совершенным и точным методом исследования клеточной проницаемости. Пользуясь им, можно вводить в клетку исследуемое вещество в низких концентрациях, не нарушающих жиз­недеятельность клеток. Применение изотопов позволило изучить проницаемость не только для молекул чужерод­ных или ядовитых веществ, но и для тех соединений, которые входят в состав клеток и тканевых жидкостей самого организма. С помощью изотопного метода удаётся изучать одновременно потоки вещества из среды в клетку и из клетки в среду. Особая ценность метода заключает­ся в том, что он удобен для изучения кинетики входа и выхода веществ и позволяет исследовать эти процессы в естественных условиях, когда клетка находится в ста­ционарном состоянии.

Метод измерения электропроводности применяется при исследовании проницаемости клеток для ионов. Электропроводность клеток определяется активностью ионов в клетках и проницаемостью клеточных мембран. При определенных условиях, например при измерении на низких частотах переменного тока, электропроводность является мерой проницаемости мембран.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Проблема создания мощных остронаправленных источников электромагнитного излучения издавна существовала в практической жизни человека. Она была решена с открытием явления вынужденного излучения. Возник новый раздел физики квантовая электроника, которая изучает методы усиления и генерации электромагнитных волн, основанные на использовании вынужденного излучения квантовых систем. Были созданы квантовые генераторы волн СВЧ-диапазона – мазеры (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), а чуть позже оптические квантовые генераторы – лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Явление вынужденного (индуцированного) излучения было предсказано А. Эйнштейном в 1916 году. Анализируя состояние термодинамического равновесия тел, он пришёл к выводу, что в квантовых системах помимо поглощения (рис.1а) и спонтанного излучения (рис.1б) должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия тела и излучения. Сущность этого взаимодействия заключается в следующем. Если на атом, который находится в возбуждённом состоянии воздействовать внешним излучением с частотой ν, удовлетворяющей условию hν = Е2 – Е1, то возникает вынужденный (индуцированный) переход с возбуждённого уровня Е2 в основное состояние Е1 (рис.1в). В результате вынужденного квантового перехода излучается новый фотон, и от частицы будут распространяться два фотона: первичный, внешний и второй – излученный. Эйнштейн и Дирак показали, что эти фотоны во всех отношениях тождественны друг другу: они имеют одинаковую частоту, фазу, поляризацию и распространяются в одном направлении, т.е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Эти два фотона, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют дальнейшие вынужденные переходы. При соответствующих условиях число фотонов лавинообразно нарастает. Возникает строго когерентное индуцированноеизлучение.

Число вынужденных переходов будет определяться заселённостью энергетических уровней соответствующих данному возбуждённому состоянию атомов среды.

С другой стороны параллельно с вынужденным излучением имеет место конкурирующий процесс – поглощение фотонов. Число актов поглощения пропорционально заполненности энергетических уровней соответствующих основному состоянию атомов среды. В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана (рис.2). По оси абсцисс откладывается вероятность нахождения атома в данном энергетическом состоянии. Как видно из рисунка (кривая 1) «населённость» нижних уровней в соответствии с распределением Больцмана намного больше, чем верхних. Это означает, что актов поглощения будет больше, чем актов излучения. Кванты индуцированного излучения будут поглощены, так и не успев вызвать последующие вынужденные переходы. Т.О. усиление света не произойдёт.

Чтобы осуществить усиление света, необходимо создать неравновесное состояние, при котором число атомов в возбуждённых состояниях больше их числа в основном (кривая 2). Такие состояния называются состояниями с инверсией населённости. Процесс перевода среды в состояние с инверсной населённостью уровней возбуждения называется накачкой. Среды, которые допускают перевод в инверсное состояние, и вследствие этого способные усиливать падающий на них пучок света называются активными. В качестве активных сред могут использоваться плазма, некоторые газы и их смеси, кристаллические тела, стёкла, жидкости, многие полупроводниковые материалы. По мере распространения света в такой среде интенсивность его будет возрастать.