Предмет физики и биофизики

Падая на поверхность тела, свет частично отражается, либо поглощается телом, либо (если тело прозрачно) проходит сквозь него. Если луч падет на плоскую поверхность, то углом падения называется угол, который падающий луч образует с нормально к поверхности, а углом отражения - угол, который образует с этой нормально отраженный луч.

Первый закон отражения:

Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности.

Второй закон отражения:

Угол падения равен углу отражения.

При переходе света из одной среды в другую скорость распространения его изменяется. Если свет идет из вакуума в какую-то среду, то отношение скорости света в вакууме С0 к скорости света С1 в данной среде называется абсолютным показателем преломления этой среды:

n = С0/С1

Если свет падает под углом к поверхности раздела, то на границе световой луч изменяет свое направление. Это явление называется преломлением света.

Первый закон преломления:

Луч падающий, луч преломленный и нормаль к поверхности раздела сред лежат в одной плоскости.

Второй закон преломления:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде:

sin/ sin= С1/ С2; т.к. С1= С0/ n1 и С2 = С0/ n2, то sin/ sin= С1/ С2= n2/n1 = n2,1

- относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

При переходе света из среды более плотной в менее плотную угол преломления больше угла падения.

При определенном угле падения угол преломления достигает 900 и преломленный луч должен скользить по его поверхности. Угол падения (А), при котором это происходит, называется предельным (или критическим) углом падения. При угле падения, большем критического, свет полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным отражением света. Для полного отражения справедливо соотношение sinА = 1/n2,1. На явлении полного отражения основана работа приборов: рефрактометра, призматического бинокля, а также ряд явлений: сверкание драгоценных кристаллов, блеск капель дождя, росы.

Техническое применение полного отражения - волоконная оптика.

Микроскоп служит для получения увеличенного изображения малых объектов. Оптическая схема: объектив, тубус, окуляр. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра.

Разрешающая способность - способность микроскопа давать раздельные изображения близких деталей рассматриваемого предмета.

Эта величина обратна пределу разрешения. Предел разрешения - наименьшее расстояние между двумя точками предмета, видимых в микроскопе раздельно. Предел разрешения микроскопа:

у = 0,61 ,

где - длина волны света, n - показатель преломления среды, - апертурный угол. Произведение nsin - числовая апертура.

Числовая апертура может быть увеличена специально жидкой средой - иммерсией. Иммерсионные жидкости: вода (1,33), глицерин (1,47), кедровое масло (1,515), монобромнафталин (1,66).

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, состоит из белковой оболочки, сосудистой сетчатки. В сетчатке находятся окончания нервных волокон, которые являются светочувствительными элементами (фоторецепторами). В передней части глаза белковая оболочка переходит в прозрачную роговую оболочку (роговица), а сосудистая - в радужную, имеющую посередине отверстие - зрачок. Посередине зрачка расположен хрусталик - прозрачное упругое тело в форме двояковыпуклой линзы. Вся плоскость глаза заполнена прозрачной жидкостью с показателем преломления 1,33.

Глаз представляет собой устройство, в котором световая энергия, полученная светочувствительными элементами (фоторецепторами), преобразуется в энергию электрических импульсов, распространяющихся по зрительному нерву от органов зрения к центральной нервной системе. При возбуждении рецепторов в мозг поступают сигналы различной интенсивности, которые создают ощущение промежуточных цветов.

Помимо человека цветным зрением (чувствительностью к цвету) обладают и другие позвоночные, но спектральные характеристики глаз животных, как правило, не совпадают. Так, лошади, овцы и свиньи различают красный и зеленый цвета. Животные, ведущие сумеречный и ночной образ жизни (волки, кошки), не нуждаются в аппарате цветного зрения, и поэтому в их глазах колбочки отсутствуют.

Основная роль глаза, как и остальных органов чувств, - доставлять мозгу информацию об окружающем нас мире. На долю слуха приходится примерно 9% информации, на все остальные (кроме глаза) не более 1 %, на долю зрения - 90%.

14.1 Фотометрия

отометрия - раздел оптики, который изучает энергетические характеристики оптического излучения в процессах испускания и взаимодействия с веществами (греч. фотос - свет, метрео - измеряю).

Оптические излучения могут вызывать в разных телах физические (нагрев, фотоэффект) и биологические действия (зрительное ощущение, ожог, гибель микробов).

Фотометрические величины и их единицы подразделяют на энергетические и эффективные, т.е. такие, которые связаны с биологическим эффектом. Эффективные используются как в видимом, так и в ультрафиолетовом участках оптического спектра.

Энергетические характеристики излучения определяют безотносительно к тому действию, которое оно оказывает на вещество; их обозначают с индексом e. Поток излучения Фе, характеризует мощность излучения, равен отношению энергии электромагнитной волны ко времени прохождения через данную поверхность: Фе = dW/dt. Единица в СИ - ватт.

14.2 Сила излучения

Сила излучения Je равна отношению потока излучения к величине телесного угла:

Je = d Фе/d (Вт/ср)

Облученность Ее равна отношению потока излучения, подающего на облучаемую поверхность, к величине этой поверхности:

Ее = dФе/dS (Вт/м2)

Энергетическая светимость Ме (излучательность) количественно равна отношению потока излучения, который испускает элемент поверхности, к площади этого элемента поверхности:

Ме =dФе/dS (Вт/м2)

Энергетическая яркость количественно равна силе излучения, создаваемой в заданном направлении 1 кв. м видимой поверхности:

Le = .

Световые фотометрические величины характеризуют световое восприятие человеческого глаза. Глаз чувствителен к узкому интервалу длин воли от 770 до 400нм (видимый свет). Наибольшей же чувствительностью глаз обладает к длине волны 555 нм, т.е. к зеленому цвету. Цвета одинаковой интенсивности будут представляться различными. Так, темно-красный свет (760нм), чтобы казался столь же ярким, как зеленый, необходимо, чтобы его интенсивность была больше интенсивности зеленого.

Световым потоком называют поток излучения, оцениваемый по зрительному ощущению.

Единицей светового потока является люмен. Другие световые величины определяются аналогично энергетическим, но некоторые имеют иное название.

Величина J= d Ф/ d - сила света, измеряется в канделах (англ. - candel - свеча).

Энергетической величине облученности соответствует световая величина - освещенность: Е= dФ/dS, измеряется в люксах (лк= лм/м2).

Светимость М= dФ/dS, измеряется в лм/м2.

Яркость L= измеряется в нитах (нт = кд/м2).

Нормы освещенности

Наименование	Е, лк
Аудитории (на уровне стола)	150
Читальный зал (на уровне стола)	100
Комнаты в общежитии (на уровне стола)	50
Вымя коровы при доении	75
Дойный зал коровника (пол)	30
Помещение для птиц при клеточном содержании	20
Помещения для содержания молодняка (проход, секции)	10

Ультрафиолетовое излучение не вызывает светового ощущения у человека и многих животных, его действие сводится к двум эффектам: эритемному и бактерицидному. Эритема - покраснение кожи или слизистых оболочек за счет гиперемии, т.е. увеличения кровенаполнения тканей в результате расширения артериол у поверхности кожи.

Эритемным потоком называют поток ультрафиолетового излучения, вызывающий эритемное действие, измеряют его в эрах. 1 эр равен 1 Вт излучения с длиной волны 296,7 нм.

Бактерицидностью называют свойство ультрафиолетового излучения вызывать в диапазоне 200-300 нм необратимые процессы коагуляции белковых веществ у многих бактерий, ведущих к их гибели. Бактерицидность проявляется также и в повышении иммунобиологических свойств организма.

Бактерицидным потоком называют поток излучений, вызывающий бактерицидное действие, измеряют его в бактах. 1 Вт монохроматического излучения с длиной волны 254 нм соответствует бактерицидному потоку в бакт. Максимальная бактерицидность приходится на длину волны 254 нм. Бактерицидность за пределами диапазона 200-320 нм пренебрежимо мала.

Остальные бактерицидные величины определяются аналогично энергетическим: сила бактерицидного излучения (бакт/ср), бактерицидная облученность (бакт/м2) и т.п.

15. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА И МИКРОЧАСТИЦ

Интерференцией называется сложение когерентных волн в пространстве, в результате которого наблюдается их взаимное усиление или ослабление. Когерентными волнами являются такие, которые имеют постоянную разность фаз и одинаковые частоты.

Разностью хода двух волн называют разность расстояний, проходимых ими от источников до точки наблюдения.

Оптический путь равен геометрическому, умноженному на показатель преломления среды.

Условие минимумов при интерференции: разность хода волн равна нечетному числу полуволн ?l =(2k + 1) л?2 , где К - любое целое число (0,1,2,3,4…); л - длина волны.

Способы наблюдения интерференции: 1) Опыт Юнга. Свет от источника проходит через щели и попадает на экран, где наблюдается картина интерференции; 2) Кольца Ньютона. Параллельный пучок света попадает на систему, состоящую из линзы (плоско-выпуклой) и плоско-параллельной пластинки (из стекла) и в отраженном или проходящем свете наблюдают интерференцию (на экране); 3) Тонкие пленки. Параллельный пучок света попадает на тонкую прозрачную пленку и в отраженном свете наблюдается картина интерференции. В этом случае картина интерференции может быть при освещении монохроматическим светом или максимумом или минимумом. Так, если свет будет красный, то пластинка будет или красной или темной, это зависит от разности хода лучей, которая определяется толщиной и показателем преломления пластинки.

Отклонение света от прямолинейности распространения в однородной среде, огибание светом встречаемых препятствий, называется дифракцией. Дифракционная решетка - оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа параллельных, обычно равноотстоящих друг от друга щелей.

Дифракционную решетку изготавливают нанесением непрозрачных царапин (штрихов) на стеклянную пластинку. Прозрачные места-щели будут пропускать свет. Штрихи, соответствующие промежутку между щелями, рассеивают и не пропускают света.

Суммарную ширину щели и промежутка между щелями называют постоянной (периодом) дифракционной решетки: d = a + b.

Условие для максимумов дифракционной решетки: kл = d sinб, где б - угол дифракции. Основная область применения дифракционных решеток - спектральный анализ.

Свет, у которого электрические колебания совершаются все время в одной и только одной плоскости, называется плоскополяризованным. При этом магнитные колебания совершаются в перпендикулярной плоскости.

Плоскость, в которой происходят колебания электрического вектора, называется плоскостью поляризации.

В неполяризованном свете (естественном) колебания и электрические, и магнитные совершаются во всевозможных плоскостях.

Поляризованный свет можно получить из неполяризованного с помощью кристаллов, например, турмалина или поляроидной пленки. Поляризуется свет и при отражении от диэлектрика. При этом отраженный от диэлектрика свет полностью поляризуется, если тангенс угла падения равен показателю преломления диэлектрика: tgб = n (закон Брюстера).

Если свет проходит через анизотропные кристаллы (в отличие от прохождения через поляроид), то возникает обычно два луча (обыкновенный и необыкновенный), идущие параллельно друг другу. Эти лучи имеют взаимноперпендикулярные плоскости поляризации. Для получения одного поляризованного луча применяют ряд устройств, как, например, призма Николя (или просто николь).

Николь представляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом. Естественный луч попадает на торцевую грань призмы параллельно основанию. Обыкновенный луч полностью отражается от слоя канадского бальзама и поглощается зачерненной поверхностью. Необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначального направления. Таким образом, сквозь призму Николя проходит только один поляризованный луч (необыкновенный).

Для получения поляризованного света также широко применяются поляроиды (поляризованные фильтры). Поляроид представляет собой прозрачную полимерную пленку толщиной 0,1 мм, содержащую множество мелких искусственных кристалликов - поляризаторов, например, кристалликов герапатита (сульфат йодистого хинина).

Вещества, поворачивающие плоскость электрических колебаний поляризованного света, называется оптически активными. Оптическая активность обусловлена асимметрией молекул. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, называются правовращающими. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации против часовой стрелки, называются левовращающими. Свекловичный сахар принадлежит к числу правовращающих веществ. Большинство аминокислот и белков - левовращающие вещества.

Угол вращения плоскости колебаний поляризованного света пропорционален толщине слоя ( l ) вращающего вещества и концентрации раствора: , где - удельное вращение, С - концентрация раствора. Удельное вращение характеризует вращательную способность вещества. Для определения концентрации растворов оптически активных

веществ служат приборы - поляриметры, а для определения концентрации

водных растворов сахара - сахариметры.

Дисперсия света - это зависимость показателя преломления среды от длины волны света. Дисперсия проявляется в частности в том, что происходит разложение света при его преломлении, интерференции или дифракции. При этом луч белого света раскладывается на монохроматические лучи.

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением длины световой волны. Различают три вида спектров излучения: линейчатые, полосатые и сплошные. Для каждого элемента характерен свой спектр излучения (по числу спектральных линий и их расположению). На этом основан спектральный анализ вещества.

16. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА. ЛАЗЕРЫ

Люминесценция есть свечение вещества, которое является избыточным над тепловым излучением этого вещества при данной температуре и имеющее длительность от 10-10с и больше.

По продолжительности «послесвечения» люминесценция подразделяется на флуоресценцию (кратковременное «послесвечение») и фосфоресценцию (длительное «послесвечение»).

В зависимости от способа возбуждения люминесценции различают несколько ее видов:

Фотолюминесценция - возбуждается видимым и ультрафиолетовым излучением. Примеры: свечение часового циферблата и стрелок, окрашенных люминофором.

Рентгенолюминесценция - возбуждается рентгеновскими лучами. Пример: свечение экрана рентгеновского аппарата.

Радиолюминесценция - возбуждается радиоактивным излучением. Пример: свечение экрана сцинтилляционного счетчика.

Катодолюминисценция - возбуждается электронным лучом (катодным). Пример: свечение экранов телевизоров, осциллографов, радиолокаторов.

Электролюминесценция -возбуждается электрическим полем. Пример: свечение газоразрядных трубок.

Хемилюминесценция - возбуждается химическими процессами в веществе. Пример: свечение белого фосфора.

Биолюминесценция (частный случай хемилюминесценции) возбуждается химическими процессами в живых организмах. Пример: светлячки. Светящиеся микроорганизмы, черви, рыбы и т.п.

Триболюминесценция возбуждается при деформации кристаллов. Пример: свечение сахара при раскалывании.

Наибольшее практическое применение имеет фотолюминесценция. Экспериментальное изучение спектров фотолюминесценции показало, что они, как правило, отличаются от спектров возбуждающего излучения. Спектр люминесценции и его максимум сдвинуты в сторону более длинных волн относительно спектра, использованного для возбуждения (правило Стокса).

Закономерность Стокса объясняется на основе квантовой теории.

Энергия поглощаемого кванта hнo частично переходит в другие виды энергии, например, в теплоту. Поэтому энергия кванта люминесценции hн должны быть меньше hнo, следовательно, н < нo и л > лo, где л и лo длины волны, соответствующие излученному и поглощенному квантам.

Иногда может иметь место так называемая антистоксовская люминесценция, при которой л < лo. Это бывает в случае, когда молекула уже возбуждена, тогда она испускает квант, но уже большей энергии

hн > hнo и л < лo.

Существенной особенностью жидких и твердых люминофоров является независимость их спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света. Благодаря этому спектру фотолюминесценции можно судить о природе вещества жидких и твердых люминофоров. Люминесцентный анализ состоит в обнаружении и количественном определении состава вещества по его люминесценции. При люминесцентном анализе наблюдается или собственное свечение или свечение люминофоров, вводимых в тела. Люминесцентный анализ позволяет исследовать вещество без его разрушения. Для люминесцентного анализа используют источники УФ излучения, не содержащие видимого света.

Люминесцентный анализ в криминалистике позволяет обнаружить невидимые следы крови, причем свечение крови человека отличается от свечения крови животных и птиц.

Люминесцентный анализ в ветеринарно-санитарной экспертизе применяют для контроля продуктов питания на мясомолочных контрольных станциях, в пищевых ветеринарных лабораториях и на сельскохозяйственных рынках. Люминесцентный анализ позволяет в считанные минуты определить начальную стадию порчи продуктов питания.

Помимо визуального метода используют и люминесцентную микроскопию. По свечению микропрепаратов можно распознать виды возбудителей инфекционных заболеваний: туберкулеза, сибирской язвы, сальмонеллеза и пр.

Метод иммунофлуоресценции используют для ранней диагностики инфекционных заболеваний животных.

Разновидностью биохемилюминесценции является сверхслабое свечение живых тканей (CCC). ССС растительных и животных тканей представляет собой свечение чрезвычайно низкой интенсивности, которое можно регистрировать фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), имеющими коэффициент усилия 105 - 109. ССС, в отличие от биолюминесценции, обусловлено неферментативными процессами и сопровождает цепную реакцию окисления липидных структур клетки с образованием перекисных радикалов. ССС может быть использовано в диагностических целях, т.к. интенсивность свечения сыворотки крови изменяется при злокачественных новообразованиях, отравлениях, воспалительных процессах.

Лазеры - это квантовые генераторы, т.е. усилители электромагнитных волн. Принцип работы и устройство кристаллического (рубинового) лазера. Рабочее вещество - рубин (окись алюминия Al2O3) с очень малой (0,05%) примесью окиси хрома Cr2O3. Цилиндрический рубин окружен спиральной импульсивной лампой. Лампа дает яркие вспышки при разряде конденсатора, свет лампы - вспышки в рубине преобразуется в импульсное свечение лазера. Зеленый свет импульсной лампы (длина волны 560 нм) переводит ионы хрома с энергетического уровня 1 на уровень 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Вероятность спонтанного перехода иона с уровня 3 на уровень 1 меньше вероятности перехода с 3 уровня на 2, а время жизни на уровне (в состоянии) 2 в десятки тысяч раз больше, чем на уровне 3. Поэтому вспышка лампы создает на некоторое время значительную перенаселенность уровня 2 по сравнению с уровнем 1, т.е. обеспечивает инверсное заселение уровня 2. (N2 > N1), и уровень 2 является метастабильным. Затем с перенаселенного уровня 2 начинаются вынужденные переходы ионов хрома на уровень 1, сопровождающиеся испусканием фотонов, соответствующих красному свету.

Лазерный луч является высококогерентным монохроматическим плоско-поляризованным. Важным свойством лазерного излучения является его строгая направленность, характеризуемая очень малой расходимостью светового луча, что является следствием высокой степени пространственной когерентности. Угол расходимости у многих лазеров примерно 10-3 рад, что соответствует одной угловой минуте. Лазерный луч имеет высокую напряженность электрического поля, большую, чем от обычных источников света в 106 раз.

При поглощении лазерного излучения веществом значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологической ткани поглощение происходит избирательно, т.к. входящие в состав тканей клетки, ферменты, гормоны и пигменты имеют различные показатели поглощения и отражения света. Поражение ткани при мощном лазерном облучении сходно с ожогом, возникающим под действием токов высокой частоты, но только с более резкой границей пораженного участка. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при термическом ударе разрушаются первыми. Разрушение ферментов может привести к гибели клеток.

Вследствие термического эффекта происходит коагуляция белков, образование тромбов в венах, а при достаточной интенсивности облучения ткани разрушаются, что используют в лазерной хирургии. В месте падения лазерного луча в ткани возникает тепловое объемное расширение. Вследствие чего появляются механические напряжения. В жидких компонентах клеток и тканей образуется ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. При попадании лазерного луча на кожный покров ткани оно не обязательно вызывает повреждение кожи, но ударная волна, распространяясь во внутренних тканях, может повреждать их без каких-либо внешних проявлений.

Электрическая составляющая лазерного луча образует в биотканях электрические диполи, что приводит к изменению электрических параметров веществ, а также - к деформации тел. Так, при облучении хомяков и морских свинок лазерным облучением с энергией 250 Дж удельное сопротивление печени снижалось в 4 раза, диэлектрическая проницаемость увеличивалась в 8 раз. Ионизация нарушает химические связи в молекулах, приводит к изменению хода биологических процессов в связи с образованием свободных радикалов.

Лазерное облучение применяют для предпосевного облучения семян, для микрозондирования клетки с целью изучения ее жизненных функций, для хирургии в медицине и ветеринарии.

17. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной от 80 до 10-5 нм. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.

Источником тормозного рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой в результате торможения электронов электрическим полем антикатода и возникает тормозное рентгеновское излучение. При торможении электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения, в связи с чем тормозное излучение называют также сплошным. Коротковолновое R - излучение называется жестким, а длинноволновое - мягким. Жесткое излучение обладает большей проникающей способностью.

Диапазон рентгеновских лучей R-трубки 10-10-2 нм. Характеристическое рентгеновское излучение возникает при переходе электрона в атоме из более высокого энергетического уровня на более низкий. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О2 и Н2О. Эта способность рентгеновского спектра послужила основанием и для его названия - характеристическое.

Воздействие рентгеновского излучения на биологические объекты определяется первичными процессами действия его на атомы и молекулы вещества. Это три главных процесса: когерентное (классическое) рассеяние, некогерентное рассеяние (эффект Комптона) и фотоэффект. В свою очередь, эти первичные процессы приводят к появлению вторичных, третичных и т.д. явлений. Это: рентгенолюминесценция, химическое действие, увеличение электропроводности (ионизирующее действие) и др.

Рентгенодиагностика - просвечивание внутренних органов с диагностической целью. Применяют в двух вариантах: рентгеноскопия и рентгенография. Рентгеноскопия - изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.

С лечебной целью рентгеновское излучение применяют для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия).

Биологическое действие рентгеновского излучения.

Химическое превращение вещества (радиолиз).

Получившиеся в результате высокоактивные химические соединения будут взаимодействовать с молекулами биосистемы, что приведет к нарушению мембран, клеток и функций всего организма.

Действие на наследственный аппарат клеток; наиболее чувствительны ядра клеток.

Поражение наиболее уязвимой функции клетки - способности к делению. Это особенно опасно для детского организма, а также клеток взрослого, где происходит постоянное или периодическое деление клеток (слизистые оболочки желудка и кишечника, кроветворная ткань, половые клетки).

При больших дозах может наступить «смерть под лучом», при меньших - возникают заболевания (лучевая болезнь и др.).

18. ЯДРО АТОМА. РАДИОАКТИВНОСТЬ

Атомное ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Протон имеет элементарный положительный заряд, нейтрон - электрически нейтральная частица. Сумма протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре составляет массовое число (А). Обозначение ядра . Радиус ядра (м). Это примерно в 105 раз меньше радиуса атома.

Изотопы - это ядра атома одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число.

Ядерные силы - силы, действующие между нуклонами в ядре - короткодействующие и сильнодействующие, обладают свойством зарядовой независимости.

Энергия связи равна разности потенциальной энергии свободных нуклонов и потенциальной энергии этих же нуклонов в ядре:

,

где mp - масса протона, mn - масса нейтрона, Mя - масса ядра, с - скорость света.

Радиоактивность - процесс самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, который сопровождается испусканием элементарных частиц.

Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе. Искусственная радиоактивность - радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Основной закон радиоактивного распада: за одинаковое время распадается одна и та же часть имеющихся в наличии ядер вещества

N = N0e-,

где N - число наличных ядер, No - начальное число ядер, л - постоянная распада, t - время распада.

Время, за которое распадается половина от начального числа ядер называется периодом полураспада (Т).

Количество распавшихся ядер: ДН = Nо - Noe-лt.

Активность радиоактивного распада - число ядер, распавшихся за единицу времени:

.

Единица активности: один распад в секунду - 1 Бк (беккерель).

Биологический период полураспада (Тб) - время, в течение которого в результате биологических процессов из организма удаляется половина элемента или соединения, присутствовавшего в нем.

Результирующий период полураспада (Тв) находится по уравнению:

.

Поглощенная доза - энергия излучения, поглощенная 1 кг вещества: Дп =. Измеряется в единице грей: Гр = ; 10-2 Гр = 1 рад.

Экспозиционная доза - доза ионизированного излучения, поглощенная в воздухе: До = q/m; где q - электрический заряд, образовавшийся в результате ионизации, m - масса ионизированного воздуха; измеряется До в единицах .

Мощность дозы - доза излучения, поглощенная в единицу времени, измеряется в единицах Гр/с = Вт/кг, внесистемная единица - рад/c.

Биологическая доза (Дб) пропорциональна поглощенной дозе: Дб = ѓДп, где ѓ - коэффициент, называемый относительной биологической эффективностью.

Биологическая доза измеряется в бэрах. 1 бэр - энергия излучения, эквивалентная 1 раду.

В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат физико-химические процессы, возникающие в молекулах клетки, нарушение структур молекул, например, радиолиз воды. Разные части клеток по - разному чувствительны к одной и той же дозе. Наиболее уязвимо ядро клетки и больше всего страдает способность к делению клеток. Поэтому в первую очередь ионизирующее излучение поражает растущие ткани, слизистые оболочки желудка и кишечника, половые клетки, кроветворные ткани и органы.

19. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

На рубеже ХХ века был сделан ряд фундаментальных открытий, доказавших сложность строения атома (открытие электрона, рентгеновских лучей, радиоактивного распада и др.). Дальнейшее развитие физики показало, что классическая физика не в состоянии объяснить и описать поведение микрочастиц, т.к. она не учитывает их волновых свойств. Это смогла сделать только квантовая механика.

Ветеринарный врач и зооинженер должны иметь представление о природе физико-химических процессов, происходящих в живом организме. В конечном итоге эти процессы разыгрываются на молекулярном уровне.

Современная биофизика признает необходимость более фундаментального изучения таких физико-химических процессов. Это отражается, например, в попытках поиска наиболее прогрессивного (интегративного) метода обучения, по которому всякая биофизическая

проблема должна изучаться, начиная с атомно-молекулярного уровня.

Несомненно, основным фундаментом такого изучения может быть только квантовая механика и ее специальные разделы в квантовой биофизике и в квантовой биохимии.

Если свет - это поток частиц, то каждый фотон должен обладать импульсом Р = mc и внутренней энергией Е = mc2, где с - скорость света.

В то же время свет можно рассматривать как электромагнитную волну с энергией Е = hн = hc/л, где h - постоянная Планка, н - частота, л - длина волны). Откуда: л = h / mc.

Де Бройль выдвинул гипотезу о том, что волновыми свойствами обладают все движущиеся тела и частицы, т.е.: л = h / mх, где л - длина волны частицы, движущейся со скоростью х.

Длина волны электрона, ускоряющегося электрическим полем напряжением U ? 1 кВ, соответствует длине волны рентгеновского излучения. И много меньше этой величины длина волны макрочастицы.

Таким образом, волновые свойства частиц могут быть обнаружены при прохождении их через кристалл. Эта гипотеза была подтверждена опытным путем Дэвиcсоном и Джермером, доказавшим наличие явления дифракции у электронного пучка, падающего на монокристаллы никеля.

Квантовая механика - теоретическая механика, изучающая законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их корпускулярных и волновых свойств.

Одним из основных положений квантовой механики является соотношение неопределенностей Гейзенберга, по которому: ?Р?х?h, где ?Р - неопределенность в измерении импульса частиц, ?х - неопределенность в измерении ее координаты, h - постоянная Планка. То есть: произведение неопределенности в импульсе на неопределенность в координате больше или равно постоянной Планка.

Так как ?Р=m?х, где ?х - неопределенность в измерении скорости, то:

.

Расчет по этому неравенству ?х электрона в атоме (если за ?х взять некоторый усредненный размер атома) дает результат (?х?7?106 м/с) того же порядка, что и сама скорость электрона в атоме (например, при расчетах по Бору ?х=106 - 107 м/с).

А это значит, что скорость электрона в атоме в принципе нельзя точно определить, если задана его координата.

И для электрона в квантовой механике при движении его в атоме невозможно иметь представление об определенной траектории. Можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства, но нельзя давать строгих и однозначных предсказаний.

Поэтому в качестве квантово-механической модели электрона принято представление о так называемом электронном облаке, как части

пространства вокруг ядра, в котором может пребывать электрон.

Понятие орбиты заменяется понятием орбиталь.

Электрон как бы размазывается вокруг ядра, образует «зарядное облако».

Поскольку микрочастица обладает волновыми свойствами, то ее состояние в квантовой механике описывается волновой функцией ш.

Для сравнения - электромагнитная волна описывается через векторы напряженностей магнитного и электрического полей.

Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера. Подобно 2-му закону динамики, это уравнение не имеет строгого вывода, хотя его можно получить из определенных механических и волновых представлений и соответствующих преобразований.

Его надо рассматривать как исходное, основное предположение, справедливость которого доказывается тем, что все вытекающие из него следствия точно согласуются с опытными данными.

Применительно к стационарному состоянию (то есть независимо от времени) нерелятивистское уравнение Шредингера имеет вид:

где Е и Еп - полная и потенциальная энергия частицы (соответственно).

Из уравнения Шредингера и условий, налагаемых на волновую функцию, непосредственно следуют правила квантования энергии, уравнения, тождественные с постулатами Бора, уравнения радиусов разрешенных орбит и скорости электрона, тождественные уравнениям Бора.

Применение уравнения Шредингера к многоэлектронным атомам - методом Хартри - Фока (Фок - отечественный физик) дало возможность объяснить структуру и свойства многоэлектронных атомов.

19.5 Для выявления физического смысла волновой функции можно провести аналогию с электромагнитной волной, для которой квадрат напряженности электрического поля (Е2) характеризует плотность энергии электрического поля, т.е.: Wэ = ееоЕ2/2.

Аналогично этому квадрат модуля волновой функции толкуется как плотность вероятность обнаружить действие частиц в элементе объема dv:

Квантовая механика не дает однозначных предсказаний о поведении частицы, а лишь определяет вероятность того или иного процесса. И основным утверждением квантовой механики является то, что величина характеризует плотность вероятности обнаружить действие частицы. А интеграл от этого выражения по всему объему (v) есть вероятность обнаружить действие частицы где-нибудь в пространстве, а так как существование частицы есть событие достоверное, то:

Это так называемое условие нормировки, которое говорит об объективном существовании частицы во времени и пространстве. Поскольку электрон - частица, несущая заряд, то плотность вероятности обнаружить действие этой частицы можно рассматривать как плотность электронного зарядного облака.

Состояние каждого электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, определяющими орбиталь. Орбиталь - это волновая функция, описывающая единичный электрон с помощью четырех квантовых чисел.

При этом выполняется принцип Паули, по которому в атоме не может быть двух (и более) электронов с одинаковым набором из 4-х квантовых чисел. Этом вопрос подробнее изучается вами в курсе неорганической химии.

19.7 Корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам, но заметно проявляется только в микромире. Так, для электрона вероятность дифракции определяется его волновыми свойствами. Но в то же время электрон может находиться только в одной из точек, разрешенных условиями дифракции - проявление корпускулярных свойств. То есть в пределах даже одного физического явления наблюдается единство корпускулярных и волновых свойств.

Соотношение неопределенностей является ярким проявлением корпускулярно-волновых свойств частиц. Оно дает границу применимости классических представлений к микромиру, а не границу познания.

20. БИОНИКА

Бионика - это наука об использовании в технике механизмов и принципов живой природы, например жизнедеятельности растений, животных и человека. Наука под названием бионика (от греч. Bion - живущий) достаточно молода: первый симпозиум по ней прошел в 1960 году. Идея копирования природных ноу-хау отнюдь не нова: еще древние китайцы пытались позаимствовать у насекомых их метод изготовления шелка. А великий Леонардо да Винчи проектировал свой летательный аппарат, взяв за основу скелет птичьего крыла.

Многовековая эволюция растительного и животного мира привела к созданию уникальных механизмов их жизнедеятельности, понимание и применение которых имеет важнейшее значение как для технического прогресса, так и для цивилизации в целом. Соответствующий материал частично имеется в учебной, больше - в научной и научно-популярной литературе.

Хрестоматийный случай проявления бионики в архитектуре - Эйфелева башня. Построенная в XIX веке, она поразила всех своей оригинальной конструкцией. Лишь спустя годы инженеры обратили внимание на то, что основание башни - по очертаниям, размерам углов между несущими поверностями - повторяет строение берцовой кости человека. Структура кости есть трубчатый композиционный материал, который одновременно обеспечивает легкость и прочность скелета.

Биологи, изучающие морских животных, долгое время удивлялись: за счет чего дельфины способны развивать столь большие скорости? Элементарные расчеты показывали: с учетом формы тела сопротивление воды должно быть таким, что подобная скорость невозможна. При движении тела в жидкости турбулентные потоки сильно снижают скорость передвижения. Но не у дельфинов. Эти удивительные животные в десять раз снижают сопротивление воды за счет особого строения кожи. Кожа их состоит из трех эластичных слоев, промежуточный слой имеет пористое строение - ее многочисленные перепонки прогибаются под давлением воды и таким образом гасят турбулентные завихрения. Ученые создали аналогичное синтетическое покрытие - ламинфло, применение которого для морских судов позволяет увеличить их скорость на 25 %.

Из ботаники к нам пришел известный атрибут современной одежды - застежка-липучка. Швейцарский инженер Жорж де Местраль заинтересовался, почему назойливые плоды сорняка дурнишника постоянно прилипают к шерсти его собаки. Внимательно рассмотрев зеленые головки этого растения, инженер заметил, что у многочисленных шипов есть небольшие крючки на концах. Де Местраль запатентовал идею. Взглянув на застежку-липучку, без труда можно рассмотреть данный принцип.

Особый интерес могут представлять исследования в бионике, связанные с современными техническими проблемами. Как показали события на островах Индийского океана в конце 2006 г., отсутствие системы предупреждения приводит к многочисленным бедам. Но даже самые современные системы предупреждения не гарантируют надежность и своевременность самих предупреждений. Другое дело - животные. Тогда, во время цунами они не погибли. Не погибли и те люди, которые ориентировались на их необычное поведение (вой собак), и на рыб, уходящих в море. Пока нет однозначного объяснения механизма предупреждения цунами у животных. Но известны и другие многочисленные факты. Перед ашхабадским землетрясением было отмечено, что все змеи выползли из нор, а также - необычное, порой исключительное, поведение собак и других животных.

Дальнейшее исследование этих явлений бионикой и их целевое применение может в будущем спасти десятки и сотни тысяч жизней.

При современном уровне развития техники природа всё-таки опережает человека! Чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать её и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Грабовский, Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - М.: Высшая школа, 1980.

Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физики / А.Н. Ремизов.- М.: Высшая школа, 1987 г., 637 с.

Белановский, А.С. Основы биофизики в ветеринарии/А.С. Белановский.- М.: Агрономиздат, 1989.

Губанов Н.И. Медицинская биофизика / Н.И. Губанов. - 1978.

Чулановская, М.В. Курс физики для биологов/М.В. Чулановская.- ЛГУ, 1972.

Ливенцев, Н.М. Курс физики/Н.М. Лавенцев. - М.: Высшая школа, 1978.

Ремизов, А.Н., Сборник задач по физике для медицинских институтов/И.В. Савельев.- М.: Высшая школа, 1978.

Савельев, И.В. Курс физики / И.В, Савельев. - М.: Наука -1987.- Т3.- 304 с.

Трофимова Г.И. Курс физики / Г.И. Трофимов. - М.: Высшая школа, 1990. - 478 с.

Голованов, И.Б. Пискунов А.К., Сергеев Н.М., Элементарное введение в квантовую биохимию. - М.: Наука, 1969, 235 с.

Толкарей, Ю.И., Голик Л.Л., Елинсон М.И. «Автоволновые среды», - М.: Знание, 1985, - 64 с.

Бернал Дж. Возникновение жизни / Дж. Бернал. - М.: Мир, 1969.

Волькенштейн, М.В. Физика и биология / М.В. Волькенштейн. - М.: Наука, 1980, - 152 с.

Волькенштейн, М.В. Энтропия и информация / М.В. Волькенштейн- М.: Наука - 198 с.

Воронцов, Н.И. Теория эволюции: истоки, постулаты и проблемы / Н.И. Воронцов.- М.: Знание, 1984 - 84 с.

Дикерсон Р. Химическая эволюция и происхождение жизни / Р. Дикерсон - М.: Мир, 1981.

Каррери Дж. Порядок и беспорядок в структуре материи / Дж. Каррери - М.: Мир, 1985.

Николис Т. Познание сложного. Введение / Т. Николис . И. Пригожин.- М.: 1980 - 344 с.

Печуркин, Н.С. Энергия и жизнь / Н. Печуркин - Новосибирск: Наука, 1988 - 190 с.

Пригожин И. От существующего к возникающему / И. Пригожин. - М.: Наука, 1985.

Ребане, К.К. Энергия, энтропия, среда обитания / К.К. Ребане.- М.: Знание, 1985 - 64 с.

Шкловский, И.С. Вселенная, жизнь, разум / И.С. Шкловский.- М.: Наука, 1987 - 320 с.

Шридингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика./Э.Шридингер.- М.: Атомиздат, 1972 - 88 с.

Шполь, С.С. Физико-химические основы эволюции / С.С. Шполь. - М.: Наука, 1979 - 149 с.

Эткинс, П.У. Порядок и беспорядок в природе / П.У. Эткинс. - М.: Мир, 1987 - 223 с.

Грибов, Л.А., Основы физики,/Л.А. Грибов., Н.И. Прокофьева. - М.: Высшая школа, 1995.

Попов, Е.М. Естествознание и проблемы белка / Е.М. Попов. - М.: Высшая школа, 1989.

Моделирование в биологии пер. с англ., под ред. Н.А. Бернштейна, М., 1963.

Парин, В.В., Кибернетика в медицине и физиологии / В.В. Парин., Р.М. Баевский. - М. 1963.

Вопросы бионики. сб. ст. Отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт.-М., 1967.

Брайнес, С.Н., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики / С.Н. Брайнес, В.Б. Свечинский. - М., 1968.

Библиографический указатель по бионике.- М., 1965.

 Подписано в печать_________2008г.

Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 4,2. Уч.-изд. л. 3,1

Тираж 100 экз. Заказ №________.

ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 11

Размещено на Allbest.ru

...