8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
1/45
Princípios da Interação da Luz com otecido: Refração, Absorção e
Espalhamento
Prof. Emery Lins
Curso Eng. Biomédica
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
2/45
Introdução
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
3/45
Breve revisão: Questões ...
• O que é uma radiação? E uma partícula?
• Como elas se propagam no espaço e nos meiosmateriais?
• O que ocorre quando elas interagem com osmateriais?
•
Como as radiações e partículas são geradas edetectadas?
• Como é possível manuseá-las e aplicá-las?
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
4/45
O que é uma radiação?
• É uma forma de propagação de energia noespaço
– Até o final do século XIX a física clássica entendiaas radiações como ondas eletromagnéticas(freqüência, amplitude e fase).
– Porém haviam falhas na física clássica: teoria docorpo negro não era explicada matematicamente.
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
5/45
O que é uma radiação?
Resultados experimentais:
A primeira contribuição foi feitapela teoria de Rayleigh-Jean; asegunda pela teoria de Wien.
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
6/45
• Wien determinou uma expressão empírica para oradiador de cavidade em função da temperaturaabsoluta e do comprimento de onda.
• Porém não explica fisicamente.
1e
1cR
T.
c5
1
2
O que é uma radiação?
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
7/45
• Em 1895 Max Planck postulou que a energia deveria se propagar emquantidades bem definidas (quantum), ou seja, não pode assumirqualquer valor.
• Fatos novos: energia dependendo da freqüência.
• h = 6,63.10-34 J.s (constante de Planck)
O que é uma radiação?
,....3,2,1n ,nhE
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
8/45
Efeito fotoelétrico
• Em 1905 Einstein publica um trabalho sobre o efeito fotoelétrico,mostrando que a emissão eletrônica não dependia da amplitudeda radiação, mas sim da sua freqüência.
vh E .
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
9/45
Efeito fotoelétrico
• Seus resultados levaram à proposição que as radiações fossemcomposta por entidades, os fótons, as quais carregavam umquantum de energia, dada por:
[Joules]
• Porém a freqüência de uma onda está relacionada com o seucomprimento de onda através da sua velocidade. Uma vez que asradiações se propagam na velocidade da luz, temos:
sm xc /103 8
E = h x ν
h.c E
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
10/45
Exercício
• Calcule a energia de um fóton de luz vermelha, sabendo que seucomprimento de onda é de 600nm?
• Qual a quantidade desses fótons presente em um feixe com 1Joule de energia?
• Qual a potência deste mesmo feixe sabendo que 1 Joule deenergia foi detectado em 2,4 segundos?
• Qual é a Intensidade do feixe quando incide sobre uma área de 5cm2 ? E qual a sua densidade de energia ?
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
11/45
Espectro eletromagnético
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
12/45
Diagrama Detalhado do Espectro EletromagnéticoFonte: Vo Dihn, T. Biomedical Photonics Handbook
Espectro eletromagnético
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
13/45
Tipos de Radiação:
• Ionizantes – Raios gama (< 0,01 nm), raios-x duros, raios-x moles,radiação UV (A, B, C).
• Não-Ionizantes – Luz visível (390nm a 700nm, violeta, azul, verde,amarelo, laranja e vermelho), Infravermelho próximo (700nm a2200nm), infravermelho médio (2.200nm a 5.000nm), infraver-melho
distante (5.000nm a 20.000nm), microondas (freq = GHz), radiofrequências (f = Mhz e KHz).
Espectro eletromagnético
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
14/45
Espectro eletromagnético
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
15/45
Espectro eletromagnético
Ionização
• Retirada de elétrons da estrutura eletrônica do átomo
• Porque a ionização é tão prejudicial (exemplo oxigênio singlete)
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
16/45
Curiosidades
• Comprimento de onda dos Raios gama e o raio atômico de Bohr.
• Corpo negro – temperatura do corpo e meio ambiente. Associação datemperatura com infra distante, microondas e radiofrequência.
Espectro eletromagnético
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
17/45
Propagação das radiações
• No espaço livre:
00
1
c
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
18/45
• Do ponto de vista prático (observável), asradiações se propagam em linha reta dentrode um material uniforme:
Propagação das radiações
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
19/45
Interação da luz com a matéria
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
20/45
Há fundamentalmente 3 propriedade quegovernam a interação da luz com a matéria:
1. Refração
2. Absorção
3. Espalhamento
Interação da luz com a matéria
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
21/45
Índice de Refração n(λ):
É a propriedade óptica referente à propagação da luz nos meios
homogêneos
Possui parte real e imaginária
Define a velocidade de fase da luz no meio e
o comprimento de onda da luz no meio
Refração
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
22/45
Reflexão e Refração na interface:
Quando a onda (luz) encontra a superfície de uma interface, a
propagação da onda obedece à lei de Snell.
Refração
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
23/45
Reflexão e Refração na interface:
Refração
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
24/45
Reflexão Interna Total :
Refração
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
25/45
Definição:
O espalhamento ocorre quando a radiação encontra um meio que
muda o seu caminho óptico (meio heterogêneo)
Espalhamento
A mudança de caminho sempreocorre quando a radiaçãoencontra uma matéria com índicede refração diferente do inicial
O redirecionamento da radiaçãodepende da polarização damesma (preferência de direção)
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
26/45
Seção Cruzada de Espalhamento σs (m2):
É a propriedade óptica da matéria relacionada com a área
hipotética da probabilidade de espalhar a luz.
É definido como a relação entre a potência de luz (Pscatt , emWatts) espalhada pela matéria na direção s^, a partir de uma
onda plana com intensidade I0 (I0, em W/m2
). Possui unidade deárea (m2)
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
27/45
Seção Cruzada de Espalhamento σs (m2):
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
28/45
Seção Cruzada Diferencial de Espalhamento
dσs /dΩ (m2/graus):
Uma vez que o espalhamento depende da polarização da onda, adefinição da seção cruzada se refere ao espalhamento médiotomando como parâmetro os eixos ortogonais de propagação daradiação
Mesmo assim, a seção cruzada diferencial de espalhamento
(dσs /dΩ ) define a distribuição angular de σs.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
29/45
Seção Cruzada Diferencial de Espalhamento
dσs /dΩ (m2):
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
30/45
Coeficiente de espalhamento (μs) :
Para definição teórica, consideraremos que σs independe da
orientação eletromagnética da radiação. Assim o espalhamentoserá idêntico em todas as direções, de forma que:
Neste caso, se o meio possui uma distribuição uniforme departículas espalhadoras, o coeficiente de espalhamento (μs) damatéria pode ser definido como:
Onde ρ é a densidade de absorvedores por unidade de volume
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
31/45
Caminho médio livre do espalhamento (ls):
Há também a definição do caminho médio livre do espalhamento
(l s ), definido por:
O caminho médio livre do espalhamento se refere à distânciamédia de propagação do fóton dentro da matéria, antes de serespalhado.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
32/45
O limite Rayleight:
O espalhamento de radiações por agentes espalhadores com
dimensão muito menor que o comprimento de onda da radiaçãoobedece o limite Rayleight de espalhamento.
Nos meios biológicos, os componentes celulares e alguns agentes
extra-celulares, como colágeno, são exemplos de estruturas queinduzem o espalhamento Rayleight da luz visível e infravermelha.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
33/45
O limite Rayleight:
Quando a relação entre o tamanho da partícula e o comprimento
da onda é desprezível, a teoria clássica das ondas mostra que apartícula observa um campo uniforme em todo lugar do espaço.
A conseqüência é a matéria oscilando na condição de dipolo na
mesma freqüência do campo aplicado, evitando a radiação dedipolo. Esse efeito linear de oscilação dá ao espalhamentoRayleight a condição de espalhamento elástico (ou linear). Nessacondição de espalhamento a freqüência antes e depois doespalhamento são iguais (fótons com mesma energia).
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
34/45
O limite Rayleight:
A seção cruzada diferencial do espalhamento de uma agente
espalhador esférico de diâmetro a no limite de Rayleight écalculado segundo a equação:
Aqui θ é o ângulo de espalhamento da radiação, ns é o índice derefração do agente espalhador e nm é o índice de refração do
meio.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
35/45
O regime Mie:
O regime de espalhamento Mie é definido para qualquer relação
entre tamanho da partícula e comprimento de onda da radiação.Porém é particularmente usado quando o espalhador é da ordemdo comprimento de onda (0.5μm a 2μm para radiação visível einfravermelha) e nem o limite Rayleight nem a aproximaçãogeométrica podem modelar o espalhamento.
Fibras, mitocôndrias, núcleos, entre outras organelas espalhamluz sob este regime.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
36/45
O regime Mie:
O espalhamento neste regime deve considerar efeitos não-
lineares de oscilação de carga dentro do agente espalhador, o queinduz um momento de dipolo não-linear. A conseqüência é luzespalhada em um regime não-linear onde a frequência daradiação propagante é (eventualmente) menor que a da radiaçãoincidente.
Espalhamento
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
37/45
Seção Cruzada de Absorção σa (m2):
É a propriedade óptica da matéria relacionada com a área
hipotética da probabilidade de absorção da luz.
É definido como a relação entre a potência de luz (Pabs , em Watts)absorvida pela matéria a partir de uma onda plana com
intensidade (I0, em W/m2
). Também possui unidade de área.
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
38/45
Coeficiente de absorção (μa) :
A seção independe da orientação da molécula em relação à onda
da radiação.
Se o meio possui uma distribuição uniforme de partículasabsorvedoras, o coeficiente de absorção (μa) da matéria pode ser
definido como:
Onde ρ é a densidade de absorvedores por unidade de volume
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
39/45
Caminho médio livre de absorção (la):
Há também a definição do caminho médio livre de absorção (l a ),
definido por:
O caminho médio livre de absorção se refere à distância média depropagação do fóton dentro da matéria, antes de ser absorvida.
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
40/45
Lei de Beer-Lambert:
Para um meio qualquer, o coeficiente de absorção obedece à
relação:
Esta relação culmina na Lei de Beer-Lambert, definida por:
Aqui, I0 é a intensidade inicial (em W/m2) que atinge a matéria, z é
a distância de propagação (m) e I é a intensidade (em W/m2) no
meio
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
41/45
Atenuação ou Absorbância (A):
Dentro do meio, a relação entre a intensidade I na profundidade z
e a intensidade inicial é denominada Transmissão (admensional).
A Atenuação da luz ou Absorbância da luz (A, admensional) ouainda Densidade Óptica (OD) está relacionada com a Transmissão,
segundo a equação:
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
42/45
Observações importantes:
A absorção das radiações pela matéria depende da estrutura e da
energia do fóton que atinge a matéria.
O conjunto de dados referentes à absorção de um conjunto defótons com energias diferentes implica no espectro de absorção
da matéria
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
43/45
Observações importantes:
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
44/45
Observações importantes:
A absorção ocorre no nível dos elétrons e do núcleo, porém a
probabilidade do fóton atingir a nuvem eletrônica é maior que aprobabilidade de atingir o núcleo.
Absorção
8/17/2019 Aula-02_Princípios-da-Interação-da-Luz-com-o-tecido_Absorção-e-Espalhamento.pdf
45/45
Observações importantes:
Porém segundo a teoria quântica o fóton só será absorvido se a
sua energia corresponde exatamente à diferença de energia entredois níveis energéticos da molécula
Absorção
Top Related