Рисунок 18.

Так как электрический момент диполя - сердца - изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные зависимости напряжения, которые называют электрокардиограммами. На рисунке 18 показана нормальная электрокардиограмма человека в одном из отведений.

4.3 Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе

Биологические ткани и органы являются довольно разнородными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии электрического тока. Это обуславливает трудности измерения электрического сопротивления живых биологических систем.

Электропроводимость отдельных участков организма, находящихся между электродами, наложенными непосредственно на поверхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных покровов. Внутри организма ток распространяется в основном по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется ее состоянием: толщиной, возрастом, влажностью и т.п.

Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Так, например, при воспалении, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и т.д.

Так удельные сопротивления различных тканей и жидкостей в организме приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Удельные сопротивления различных тканей и жидкостей в организме

Вид ткани	с, Ом·м	Вид ткани	с, Ом·м
Спинномозговая жидкость Кровь Мышцы Ткань мозговая и нервная	0,55 1,66 2,0 14,30	Ткань жировая Кожа сухая Кость без надкостницы	33,3 105 107

4.4 Электрический ток в газах

При нормальных условиях газ изолятор, но если под влиянием внешнего воздействия часть молекул газа ионизируется, то он становится проводником. При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, который прекращается, если убрать ионизатор. Такой газовый разряд называется несамостоятельным.

При сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, и возникает самостоятельный газовый разряд.

Процессы самоионизации заключаются в том, что электроны в электрическом поле приобретают кинетическую энергию достаточную для ионизации молекул газа, а за счет ионов выбиваются электроны из металла и т.д.

Существует четыре вида самостоятельного газового разряда - тлеющий, коронный, искровой и дуговой.

4.5 Аэроионы и их лечебно-профилактическое действие

В земных условиях воздух практически всегда содержит некоторое количество ионов благодаря природным ионизаторам, главным образом радиоактивным веществам в почве и газах и космическому излучению. Ионы и электроны, находящиеся в воздухе могут, присоединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным частицам, образовывать более сложные ионы. Эти ионы в атмосфере называют аэроионами.

Они различаются не только знаком, но и массой, их условно делят на легкие (газовые ионы) и тяжелые (взвешенные заряженные частицы - пылинки, частицы дыма и влаги), которые оказывают вредное воздействие на организм.

Легкие и в основном отрицательные аэроионы оказывают благотворное воздействие на организм. Их используют, в частности, для лечения - аэроионотерапия.

Различают естественную аэроионотеропию, связанную с прибиванием больного в природных условиях с повышенной ионизацией воздуха (горы, водопады и пр.), и искусственную, проводимую с помощью специальных устройств - аэроионизаторов, которым может служить любой ионизатор, создающий ионы в воздухе. Однако он не должен оказывать побочного вредного воздействия на организм.



4.6 Магнитное поле и его характеристики

Магнитные явления известны с глубокой древности. Магнитный компас существует более 3000 лет. Связь магнитных явлений с электрическими доказана Х.К. Эрстедом (Дания) в 1820 году. Он установил, что и постоянный магнит, и электрический ток в проводнике воздействуют на магнитную стрелку, ориентируя ее определенным образом.

Отличие магнитного поля от электрического заключается в том, что неподвижный электрический заряд воздействует на электрические заряды, но не на магнитную стрелку.

Магнитное воздействие свойственно только движущимся зарядам (и изменяющимся во времени электрическим полям). То есть вокруг движущихся электрических зарядов (электрического тока) возникает магнитное поле, проявляющееся во взаимодействии этих зарядов с другими, движущимися же зарядами, или магнитным полем.

Магнитное поле может быть изображено графически, так же как и электрическое поле с помощью силовых линий, которые, однако, в этом случае замкнуты. Связь магнитных и электрических явлений и изучение строения вещества позволяют утверждать, что магнитные свойства вещества обусловлены элементарными круговыми токами в атомах и молекулах этого вещества.

Магнитное поле, как и электрическое имеет свои характеристики: вектор магнитной индукции B - силовая характеристика магнитного поля (аналог вектора напряженности электростатического поля), напряженность магнитного поля H(аналог вектора электрического смещения D), магнитный поток Ф - поток вектора магнитной индукции через площадку dS.

4.7 Магнитные свойства тканей организма. Биомагнетизм

Ткани организма в значительной степени диомагниты (ослабляющие внешнее магнитное поле), подобно воде. Однако в организме имеются и парамегнитные вещества (незначительно усиливающие внешнее магнитное поле), молекулы и ионы. Железо в организме присутствует в таких соединениях, которые не являются ферромагнитными (значительно усиливающими внешнее магнитное поле).

Магнетизм биологических объектов, т.е. их магнитные свойства и магнитные поля, создаваемые ими, получили название биомагнетизма.

Магнитные поля, создаваемые биологическими объектами, достаточно слабы и возникают от биотоков. В некоторых случаях магнитную индукцию таких полей можно измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца, создан диагностический метод - магнитокардиография.

Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биотока), согласно закону Ома, пропорциональна напряжению (биопотенциалу), то в целом магнитокардиограмма аналогична электрокардиограмме. Однако она является бесконтактным методом, поскольку магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта.

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Имеются сведения о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему, характеристики крови и т.п.

В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена. Этот важный вопрос находится в стадии исследования.

4.8 Переменный электрический ток

Если относительно магнитного поля перемещать проводник, то вследствие электромагнитной индукции в нем возникает э.д.с.

Пусть проводник выполнен в виде рамки, (рис.20) которая имеет площадь S и может вращаться вокруг оси перпендикулярной однородному магнитному полю (В=Const). Контур пронизывается магнитным потоком

,

где б =щt угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости расположения рамки.

При вращении рамки поток вектора магнитной индукции, пронизывающий контур, периодически изменяется и согласно закону Фарадея возникает э.д.с. индукции

.

То есть, в контуре проводника возникает переменная электродвижущая сила, изменяющаяся по закону синуса.

В замкнутой цепи возникает переменный ток

,

где R - сопротивление контура проводника и его внешней цепи.

Как и любой гармонический процесс, такой ток характеризуется амплитудой Iмакс, круговой частотой щ и фазой щt, а также периодом Т и частотой н

.



На этом способе получения переменного тока основаны электромашинные генераторы, в которых магнитное поле создается с помощью электромагнита, а вращающийся контор состоит из витков, расположенных на ферромагнитном сердечнике (ротор генератора).

Основу генератора переменного тока составляет катушка, вращающаяся в однородном магнитном поле, перпендикулярном оси вращения. Поток вектора магнитной индукции через катушку равен

.

Согласно закону Фарадея индуцируется э.д.с.

.

где U0=BSщn=Uмакс - амплитуда э.д.с.

Если к генератору подключен резистор сопротивление R, то через него будет идти ток

То есть, напряжение и ток, протекающий через резистор, совпадают по фазе.

Для получения пульсирующего тока нужно концы катушки соединить с полукольцами.

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением концентрации в различных частях клетки и межклеточного пространства.

Раздражение тканей также зависит от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, увеличение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельствует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы тока, наступают ионные компенсационные процессы.

Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией. Токи высокой частоты используют также для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия). ультразвук квантовый биофизика радионуклид



Лекция 5. Оптика. Тепловое излучение

5.1 Природа света. Принцип Гюйгенса-Френеля

В соответствии с современными представлениями свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Некоторые явления - интерференция, дифракция, поляризация хорошо объясняются на основе волновых представлений, а другие (фотоэффект, люминесценция, давление света, тепловое излучение и поглощение) - на основе квантовых.

Световые волны, электромагнитное излучение. Они имеют частоту (4-7,5)1014Гц.

Г

- излучениец. НЧ Радио УВЧ ИК Свет УФ Рентген

Волновой процесс - распространение колебаний в пространстве.

Электромагнитные волны поперечные. В общем случае уравнение волны имеет вид

хс = А sin (t-),

/Т)./Т, с =v = =2 = 2=сТ = с/v, = х/с,

- время распространения колебаний от 0 до точки С (где

Для компонентов электрического и магнитного поля можно записать).

X /t - 2); н = НмSin (X /t - 2Е = Ем Sin (

Фронтом волны называется поверхность, до которой одновременно доходят волны от источника.

В основе волновых явлений оптики лежит принцип Гюйгенса-Френенля: каждая точка фронта волны является источником вторичных когерентных волн.

Когерентными называются волны одинаковой длины, имеющие постоянную во времени разность фаз.

Скорость распространения света в любой среде меньше скорости света в вакууме.

Среда называется оптически однородной, если в ней скорость распространения света постоянна.

5.2 Интерференция

Интерференция - наложение когерентных волн, при котором свет от источников в области наложения либо усиливается, либо ослабляется. Это зависит от разности хода интерферирующих лучей. Вопросы интерференции рассмотрены в 5 главе первой части и получены условия возникновения интерференционных максимумов и минимумов в зависимости от разности хода ?? излучений от когерентных источников.

При - усиление, а при- ослабление.

Наложение света от двух источников S1 и S2 происходит в плоскости на расстоянии L от источников (рис.23), расположенных на расстоянии d друг от друга (d<<L). Определим расстояние z от точки О, одинаково удаленной от S1 и S2, до точек Р, где будут максимумы или минимумы. Из рассмотрения треугольников S1PA и S2PВ имеем

; .

Расстояние между соседними максимумами будет

.

По измерениям ?z, известных L и d можно определить длину световой волны

.

L. Высокая чувствительность положения интерференционных максимумом к разности хода лучей применяется в интерферометрах - приборах для точного измерения малых длин и углов, для контроля качества полированных поверхностей.То есть, интерференционная картина - это чередующиеся световые и темные полосы и чем больше расстояние d, тем меньше расстояния между максимумами и минимумами, поэтому для повышения их различимости нужно выбирать d

5.3 Дифракция

Дифракция света явление непрямолинейного распространения света вблизи преграды (огибание лучом преграды), а получающаяся при этом картина называется дифракционной. Дифракция отчетливо обнаруживается, если размеры препятствий соизмеримы с длиной световой волны (порядка 1 мкм). Дифракция подтверждает волновые свойства света и объясняется на основе принципа Гюйгенса-Френеля. На преградах образуются вторичные источники когерентных световых волн, а вследствие их интерференции - максимумы и минимумы.

Свет от источника S попадает на экран А через отверстие ав в непрозрачном экране В (рис.24).

Рисунок 24.

Из-за когерентности волны 1 и 2, 3 и 4 будут интерферировать. В зависимости от разности хода лучей на экране А в точках с и d возникнут максимумы или минимумы.

Дифракция ограничивает разрешающую способность оптических приборов - способность получать раздельно изображения мелких предметов расположенных близко друг от друга.

За счет дифракции каждый мелкий предмет воспринимается как мелкий диск. Если предметы находятся близко, то их дифракционные изображения перекрываются. При перекрытии менее радиуса дифракционного изображения предметы могут видеться раздельно. Наименьшее расстояние, при котором две точки можно видеть раздельно, называется разрешаемым расстоянием.

Разрешающую способность принято оценивать величиной обратной разрешаемому расстоянию.



,

где л - длина световой волны, n - показатель преломления среды, u - апертурный угол, и Sin(р/2) - числовая апертура.

Таким образом, разрешение микроскопа не превышает половины длины волны зеленого цвета ?0,3 мкм, а разрешающая способность ? 3*106м-1=3*103мм-1.

Дифракция ограничивает полезное увеличение микроскопа теоретическим значением 2500.

5.4 Поляризация

Свет, излучаемый отдельным атомом, является электромагнитной волной, которая состоит из двух взаимноперпендикулярных составляющих - электрической (вектор напряженности Е) и магнитной (вектор напряженности Н) волн, распространяющихся в направлении перпендикулярном плоскости векторов Е и Н.

Луч (свет), у которого электрические колебания происходят только в одной плоскости, называется поляризованным. Таким образом, свет излучаемый одним атомом является линейно поляризованным (рис. 25а).

Естественные источники излучают неполяризованный свет, так как он образуется совокупностью излучений всех атомов вещества (рис.25б). Иногда имеет место частично поляризованный свет (рис.25в).

Естественный свет можно поляризовать, если он проходит через анизотропное прозрачное вещество, такое, что колебания вектора напряженности электрического поля выходящего света совершались бы вдоль одного определенного направления (рис.66а).

Если за кристаллом, образующим поляризованный свет (поляризатор) поместить такой же кристалл, имеющий возможность вращения относительно луча, то интенсивность света после прохождения последнего будет изменяться по закону Малюса

,

где б - угол между направлением поляризации луча и направлением пропускания второго кристалла (анализатора).

Рисунок 26.

Поляризованный свет можно получить также при преломлении и отражении на границе изотропных сред.

Так, угол полной поляризации бр зависит от относительного показателя преломления отражающей среды (закон Брюстера)

.

Некоторые вещества поворачивают плоскость поляризации. Они называются оптически активными (сахар, никотин, винная кислота, кварц). Угол поворота И плоскости поляризации зависит от длины пути света в веществе и его концентрации С.

.

.

где б - удельное вращение (градм2/кг).

Это свойство используется в поляриметрах, состоящих из поляризатора и анализатора между которыми помещается кювета с исследуемым веществом. По измерению И и известному значению ?, для данного вещества можно вычислить концентрацию раствора.

5.5 Исследование биологических тканей в поляризованном свете

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроскопе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляризационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному, но имеет поляризатор перед конденсатором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик вращается вокруг оптической оси микроскопа. Таким образом, объект освещают поляризованными лучами и рассматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения остается темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изменяют поле зрения в соответствии с тем, что они оказывают влияние на плоскость поляризации.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляризаторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотропия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях, для оценки механических напряжений возникающих в костных тканях. Этот метод основан на явлении фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Рисунок 27

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна. Прикладывая нагрузку, вызывают анизотропию плексигласа, что становится заметным по характерной картине полос и пятен (рис. 27). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении и уменьшении нагрузки можно делать выводы о механических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

5.6 Оптическая система глаза



Глаз является сложной оптической системой находящейся в белковой оболочке 1.

С ней соприкасается сосудистая оболочка 2, к которой прилегает сетчатая оболочка 3 (сетчатка), состоящая из мельчайших светочувствительный элементов (размеры порядка 10 мкм) являющихся окончаниями нервных волокон зрительного нерва 4 идущего к головному мозгу. В передней части белковая оболочка переходит в роговую (роговица) 5, а сосудистая - в радужную 6 со зрачком. Позади зрачка расположен хрусталик 7 - прозрачная упругая двояковыпуклая линза. Полость белковой оболочки заполнена прозрачной жидкостью с показателем преломления n=1,33 (у роговицы nр=1,38, у хрусталика в среднем n=1,44).

Изображение проецируется на сетчатку. Оно действительное, уменьшенное и перевернутое. Корректируется головным мозгом для правильного восприятия.

Зрачок играет роль диафрагмы и регулирует количество света, попадающего в глаз, а кривизна поверхностей хрусталика изменяется с помощью ресничной мышцы, обеспечивая резкое изображение на сетчатке предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза (аккомодация).

При расслабленной ресничной мышце хорошо видны предметы, распложенные далее 8 метров, а вследствие аккомодации отчетливо видны предметы, находящиеся на расстоянии большем расстояния ясного зрения (25см).

Размер получаемого изображения зависит от угла зрения б между лучами, попадающими в глаз от крайних точек предмета, который может быть не менее 1 угловой минуты, и называется предельным углом зрения.

Поэтому невооруженным глазом нельзя четко рассмотреть как крупные, но далеко расположенные предметы, так и близко распложенные, но мелкие. Для увеличения угла зрения применяют телескопы и микроскопы.

Наиболее распространенными дефектами глаза являются близорукость (изображение перед сетчаткой) и дальнозоркость (за сетчаткой). Эти дефекты исправляются соответственно с помощью рассеивающих или собирающих линз.

Светочувствительные элементы сетчатки подразделяются на палочки и колбочки. Палочки более чувствительны, но не реагируют на цвет, а колбочки обладают спектральной чувствительностью, однако в узком интервале длины волны - 0,77-0,38 мкм (видимый свет), причем наибольшая чувствительность приходится на длину волны, соответствующую зеленому свету - 0,555 мкм.

Мерой спектральной чувствительности глаза является коэффициент видности излучения с длиной волны л, характеризующийся отношением мощности монохроматического излучения с длиной волны лмакс=0,55 мкм к мощности монохроматического излучения, с длиной волны л, вызывающего такое же ощущение, как и излучение с диной волны лмакс.

Так, например, для красного света Uл=5*10-5.

Свет снижает чувствительность глаза, но в темноте она значительна и составляет 10-17 Дж, что соответствует свету, испускаемому свечой, находящейся на расстоянии 100 км в прозрачной атмосфере.

У многих насекомых максимальная чувствительность зрения в области ультрафиолетовой части спектра, а зрение большинства птиц наиболее чувствительно к красному цвету.

5.7 Тепловое излучение тел

Свечение тел при их нагревании называется тепловым (температурным) излучением. Во всяком веществе при Т>0оК тепловое излучение случается за счёт его внутренней энергии, т.е. за счёт теплового движения атомов и молекул. Тепловое излучение - практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Тепловое излучение имеет сплошный спектр. При низкой температуре - тепловое излучение является в основном инфракрасным, при высокой температуре - видимым и ультразвуковым.

Всякое тело, излучая само, вместе с тем поглощает часть энергии, от окружающих тел, которые излучают. Процесс поглощения ведёт к нагреванию тела. В конце концов наступает равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой теплового равновесия. Тепловое равновесие является обычным состоянием тел, представленных самим себе.

Тепловое излучение и поглощение также могут быть объяснены только на основе квантовых представлений.

М. Планк получил формулу для спектральной излучательной способности абсолютно черного тела - тела поглощающего все виды попадающего на него излучения.

,

где л - длина волны, Т - термодинамическая температура, с - скорость света в вакууме, k= 1,38·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана.

Формула полностью подтверждает экспериментальные данные, полученные другими учеными, в частности из нее следуют:

Закон Стефана-Больцмана: полная испускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры



,

где у= 5,67*10-8 Вт/м2К4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Вина: длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре

,

где b= 2,8979*10-3 мК - постоянная Вина.

Характер распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела сохраняется для любых тел, хотя их излучательная способность меньше. Излучательная и поглощательная способность тел связана между собой следующим образом:

Отношение излучательной способности к поглощательной способности любого тела при данной температуре не зависит от их природы и равно излучательной способности абсолютно черного тела (закон Кирхгофа)

.

То есть, всякое тело поглощает преимущественно излучение, которое и может излучать.

5.8 Теплоотдача организма

Тело человека имеет определенную температуру благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения). Распределение отдаваемого (получаемого) количества тепла между перечисленными процессами точно указать невозможно, так как оно зависит от многих факторов: состояния организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т.п.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и т.д.), одежды (материал, форма, толщина). Однако можно сделать приближенную оценку фиксируя эти параметры, используя закон Стефана-Больцмана для неравновесного излучения.

У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.

Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела и определение их температуры является диагностическим методом, называемым термографией. Этот метод абсолютно безвреден и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.

Определение температуры поверхности тела при термографии, в основном, осуществляется двумя методами. В одном используются индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая индикатор на тело больного можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры. Другой метод, более распространенный, основан на использовании тепловизоров. Тепловизор - это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, и преобразовывать его в оптический диапазон, который воспроизводится на экране.



Лекция 6. Физика атомов и молекул. Элементы квантовой биофизики

6.1 Гипотеза де Бройля

В 1895 году (В.Ренген) были обнаружены излучения с длиной волны 10-2-10-5 мкм названные рентгеновскими. Это излучение образуется при резком торможении высокоэнергетичных электронов (порядка 10-10Дж).

Волновая природа таких лучей подтверждена их дифракцией при прохождении через кристаллы, которые обладают пространственной упорядоченной решеткой.

Условие дифрагирования рентгеновых лучей определяется формулой Вульфа-Бреггов

,

где d - расстояние между атомными плоскостями.

С помощью рентгеновских лучей можно определять структуру кристаллов при известной длине волны (рентгеноструктурный анализ) или при известной структуре кристалла составляющие спектра рентгеновского излучения (рентгеноспектральный анализ).

Обобщая данные о дифракции излучений, Л. де-Бройль высказал гипотезу о существовании аналогии между свойствами света и вещества (1923г.) предполагая, что, как и свет, вещество должно обладать как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

Всякая движущаяся частица обладает волновыми свойствами и излучением с длиной волны



,

где m - масса микрочастицы, х - ее скорость, h=6,625*10-34 Дж·с - постоянная Планка.

Гипотеза была подтверждена в 1927 году экспериментально с получением дифракционных картин.

Так как дифракция относится к волновым процессам, это доказывает существование электронных волн (волны де-Бройля).

6.2 Строение атома. Постулаты Бора

В конце 19 и начале 20 века было установлено, что атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Размер атомов порядка 10-9-10-10 10м, а размеры ядра -15 99,95%) сосредоточена в ядре. В обычном состоянии атомы электрически нейтральны, по крайне мере на расстояниях значительно превышающих их размеры, а это возможно лишь в том случае, если в состав атома входят другие частицы положительно заряженные, которые компенсируют отрицательный заряд электронов. В 1911 г. английский физик Э.Резерфорд, на основе выполненных экспериментов, предложил именно такую ядерную (планетарную) модель атома.м. То есть большая часть массы всего атома (

В соответствии с моделью атома Резерфорда электроны должны вращаться вокруг ядра, то есть двигаться с ускорением, но согласно законам классической электродинамики, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Постепенно электрон должен был бы приближаться к ядру, частота его излучения должна была бы изменяться непрерывно, то есть спектр излучения должен был бы быть непрерывным а атом неустойчивым соединением. Однако атомы устойчивы и их излучение имеет линейчатый спектр, причем каждому атому соответствует вполне определенный, характерный только для него спектр, Это было установлено в результате многочисленных экспериментов, а также была определена одинаковость линейчатых спектров излучения и поглощения отдельных атомов, что позволило сделать вывод о парциальных количествах энергии (квантах), излучаемой или поглощаемой.

Отсюда следует, что атом может находиться только лишь в определенных (дискретных) энергетических состояниях. Исходя из таких предположений датский физик Н. Бор в 1913 году на основе модели атома Резерфорда предложил более совершенные представления о строении атома, сформулировав их в виде постулатов (постулаты Боры):

1. Электроны могут двигаться в атоме только по строго определенным орбитам, радиусы которых определяются условием квантования

,

10где m = 9,11-31 10кг - масса электрона, х - скорость его движения по орбите радиуса r, n - квантовое число (n= 1, 2, 3…), h = 6,63-34 Дж.с - постоянная Планка

2. Переход электрона с одной стационарной орбиты на другую сопровождается либо излучением (переход с более удаленной на менее удаленную), либо поглощением кванта энергии.

Энергия кванта поглощенного или излученного равна разности энергий атома, соответствующих его стационарным состояниям до и после излучения (поглощения)

.

Таким образом, частота электромагнитных волн, излучаемых атомом, определяется не частотой вращения электронов в атоме (по Резефорду), а разностью энергий стационарных состояний атома.

6.3 Энергетические уровни атомов

0. , EЭнергия электрона, находящегося на стационарной орбите, называется уровнем энергии атома (энергетическим уровнем). С увеличением квантового числа энергия атома возрастает и при n

Рисунок 29.

Уровни значений полной энергии атома водорода представлены на рис.29.

0 соответствует состоянию свободного электрона.С возрастанием квантового числа увеличивается расстояние (радиус орбиты, по которой движется электрон), а полная и потенциальная энергия стремится к нулю. Кинетическая энергия также стремится к нулю и область E

Кроме главного квантового числа n= 1,2,3… состояние атома характеризуется орбитальным ?=0,1,2,… n-1, определяющим форму орбиты, магнитным m1 = -1,…,-1,0,+1,…,+1 (ориентация орбиты в пространстве), магнитным спиновым ms= -1/2; +1/2 (собственное вращение электрона в атоме). То есть для одинакового главного квантового числа существует множество состояний электрона (энергетических состояний), распределение, которых удовлетворяет двум принципам:

1. В атоме состояние всех электронов различны, то есть не может быть электронов, имеющих одинаковую комбинацию квантовых чисел (принцип исключения) - установлен в 1925 году швейцарским физиком В.Паули].

2. Распределение электронов в атоме должно соответствовать минимуму энергии атома (принцип минимума энергии).

Общее число электронов в атоме определяется зарядом его ядра, выраженным через элементарный заряд. У атома с минимальной энергией (невозбужденного) электроны заполняют ближайшие к ядру слои, имеющим n оболочек (от 0 до n-1) с определенным количеством электронов в каждой из них.

Построение этой теории стало возможным благодаря тщательным исследованиям спектров излучения различных газов (спектров излучения атомов), в результате которых были обнаружены спектральные линии, расположенные по определенной закономерности. В атоме водорода, например, эта закономерность определена формулой Бальмера-Ридберга

,

где R = me2/8е2h2 = 3,28985·1015 с-1 ? 3,29·1015 c-1 - постоянная Ридберга, n и n0 - квантовые числа, соответствующие начальному (до излучения) и конечному (после излучения) энергетическим состояниям атома.

При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую (ближнюю к ядру) атом излучает квант энергии, равный разности энергий атома до и после излучения

.

В спектре можно выделить группы линий, которые получили название спектральных серий. Каждая серия соответствует переходам возбужденного атома на один и тот же энергетический уровень (рис.30)

Серия Лаймана расположена в ультрафиолетовой части спектра. Она образуется в результате перехода электронов с верхних энергетических уровней на основной (n=1). Интенсивность возрастает с уменьшением длины волны.

Серия Бальмера находится в видимой и близкой к ультрафиолетовой областях спектра. Она обнаружена в 1885 году швейцарским физиком Бальмером и является, по сути, началом построения квантовой теории атома.

Серия Пашена находится в инфракрасной области спектра. Она возникает при переходе электронов на третий энергетический уровень.

Рисунок 30.

Существуют и другие серии, однако спектр ограничен, так как энергетические уровни атома по мере увеличения главного квантового числа сближаются и вероятность перехода между ними мала, поэтому они практически не наблюдаются.

6.4 Виды излучений

В квантовой теории процесс излучения понимается как испускание фотонов возбужденными излучающими системами (атомами, молекулами, вращающимися в магнитном поле электронами и т.д.) при переходе излучающей системы с более высокого энергетического уровня на более низкий. При этом элементарный акт излучения фотона представляется практически как мгновенный процесс. После возбуждения атома (молекулы и т.д.), при котором он переходит на более высокий энергетический уровень и некоторый промежуток времени приходится в данном состоянии, а затем совершает переход в низшее (обычно нормальное, основное) энергетическое состояние. При этом испускается фотон. Если атомы не подвержены никаким внешним воздействиям, то переход из возбужденного состояния в нормальное совершается самопроизвольно (спонтанно). Такой процесс излучения получил название спонтанного излучения.

Время нахождения атома в возбужденном состоянии не является определенной величиной, т.е. спонтанные переходы излучающих частиц совершается случайно, хаотически, через равные промежутки времени.

Вынужденным или индуцированным излучением называется излучение возбужденных атомом (молекул и т.д.) вещества, вызванное действием на вещество падающего на него света.

С точки зрения волновой оптики явление индуцированного излучения способствует увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество. При этом частота волны, направление ее распространения, фаза и поляризация волны остаются неизменными. Таким образом, индуцированное излучение является высококогерентным и в то же время когерентным с падающей волной.

Прибор, основанный на использовании индуцированного излучения, называется оптическим квантовым генератором (ОКГ). Квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого и инфракрасного излучения, получили название лазеров, генераторы работающие в микроволновом диапазоне называются мазерами.

Свойства лазерного излучения

1. Временная и пространственная когерентность. Время когерентности составляет 10-3с, что соответствует длине когерентности 105м.

2. Строгая монохроматичность (?л‹10-11м).

3. Большая плотность потока энергии имеет порядок ~2·1010 Вт/м2.

Очень малое угловое расхождение в пучке. Направленный, например, на Луну, пучок дает на ее поверхности световое пятно диаметром примерно 3·103м (луч протектора дал пятно диаметром 4·107м.

6.5 Люминесценция

Одним из видов спонтанного излучения может служить люминесценция. Люминесценция (холодное свечение) - свечение тел при низкой температуре, так что в тепловом излучении отсутствует излучение в видимом диапазоне. Оно наблюдается после возбуждения атомов и молекул вещества. По продолжительности послесвечения (после прекращения действия внешнего возбуждения) от 10-9с до нескольких суток. Люминесценция подразделяется на флюоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (длительное), хотя резкой границы между ними нет.

Свечение при люминесценции не прекращается одновременно с вызвавшей его причиной. В зависимости от способа возбуждения различают фото-люминесценцию, рентгено-, радио-, котодо-, электро-, хемилюминесценцию.

6.6 Фотобиологические процессы

Фотобиологическими называют процессы, которые начинаются с поглощения квантов света молекулами, а заканчиваются физиологической реакцией организма.

К ним относятся фотосинтез, зрение, загар и эритема кожи, фотопериодизм и многие другие.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1. поглощение кванта света молекулой;

2. внутримолекулярные процессы размена энергии;

3. межмолекулярные процессы переноса энергии электронно-возбужденного состояния;

4. первичный фотохимический акт, сопровождающийся образованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов, в него молекула вступает из нижнего синглетного или триплетного возбужденный состояний;

5. реакции нестабильных фотопродуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6. биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7. физиологический ответ на действие света.

Первые три стадии одинаковы для фотохимических реакций и фотолюминесценции.

Важной характеристикой воздействия света на биологические объекты является спектр фотобиологического действия - зависимость биологического эффекта от длинны волны действующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также определить природу молекул, ответственных за поглощение света в данном процессе.

Фотохимические реакции, инициируемых светом в тканях, могут иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Известны терапевтические эффекты оптического излучения, осуществляемые за счет поглощения света молекулами, содержащимися в биологических тканях. Так, например, УФ-В-облучение кожи используется для лечения кожного заболевания - псориаза.



Лекция 7. Ионизирующие излучения. Основы дозиметрии

7.1 Рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское излучение

Большую роль в исследованиях строения и свойств электронных оболочек сложных атомов, при изучении строения молекул и кристаллических решеток твердых тел сыграли лучи, открытые в 1895 году Рентгеном, названные рентгеновскими лучами. Это электромагнитное излучение с длиной волны от 80 нм до 0,0001 нм. В медицине используется рентгеновское излучение в диапазоне от 10 до 0,005 нм, что соответствует энергии фотонов от 102 эв. до 0,5 Мэв.

Рентгеновское излучение невидимо для глаза. Рентгеновские лучи обладают сильным фотохимическим действием, вызывают почернение фотопластинки. Обладают высокой способностью ионизировать газы, вызывают флуоресцентное свечение люминофоров. Это используют как способ обнаружения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи проходят через непрозрачные для обычного света тела: дерево, металл, кость, мышечную ткань и т. д. Более плотные вещества поглощают рентгеновские лучи сильнее, чем менее плотные. Это используется в технике и медицине для исследования внутреннего строения тел.

Рентгенография - исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу.

Рентгенодиагностика - обнаружение изменений в организме.

Рентгенодефектоскопия - выявление дефектов в деталях машин.

Рентгеновские лучи используют в лечебных целях (например, облучение злокачественных опухолей).

По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на характеристическое и тормозное.

Характеристическое излучение вызывается при переходах электронов, находящихся во внутренних слоях атомов. Для этого необходима энергия возбуждения, порядка 104-105 эВ. Электрон с какой-либо из электронных оболочек переходит на достаточно далекий возбужденный уровень. При этом с более высокого энергетического уровня на освободившееся место может перейти электрон, излучая фотон с частотой, равной разности уровней энергии перехода.

Свободное место может образоваться на любой из оболочек K,L,M и т.д., а переход электрона может происходить с более высоких уровней (оболочек).

Этот процесс сопровождается излучением, состоящим из множества фотонов и имеющее линейчатый спектр.

Возникновение некоторых серий характеристического излучения показано на рисунке 31.

Рисунок 31.

К - серия, высокочастотная, самая жесткая. В пределах этой серии линия Кб является наиболее мягкая. Серии L и М являются более мягкие. Жесткость рентгеновского излучения растет с увеличением заряда атомного ядра, т.е. с увеличением атомного номера элемента. Эта зависимость выражена законом Мозли (1913 г. англ. физик). «Корень квадратный из частоты н, соответствующей данной линии характеристического рентгеновского излучения, является линейной функцией атомного номера Z элемента:

,

где a и b - постоянные величины.

Рентгеновская трубка является источником рентгеновского излучения.

Рисунок 32.

Трубка представляет собой стеклянную колбу - Б с высоким вакуумом порядка 10-6 - 10-7 мм.рт.ст. А - анод (металл). На скошенном торце пластика З (зеркальце). К - катод (в виде спирали). Между анодом и катодом приложено высокое напряжение, достигающее 105 вольт. Электроны электрическим полем разгоняются до скоростей V=100 000 км/с, и ударяются об анод. проникают вглубь зеркальца, взаимодействуют с атомами вещества и тормозятся полем его атомов. Происходит коротковолновое электромагнитное излучение, которое называется тормозным рентгеновским излучением. И имеет сплошной спектр.

Одновременно с тормозным излучением образуется и характеристическое излучение (до нескольких процентов).

Граница спектра со стороны коротких волн, общий поток излучения, распределение энергии по длинам волн зависят в основном от следующих величин:

1. Напряжения между анодом и катодом.

2. Количества электронов, участвующих в образовании излучения, т.е. силы в трубке.

3. Атомного номера вещества анодов.

При данном напряжении U спектр со стороны коротких волн ограничен лк, которая соответствует фотонам с максимальной энергией. При увеличении напряжения U на трубке мощность излучения возрастает и максимум энергии излучения сдвигается в сторону более коротких волн.

Коротковолновое тормозное излучение лк возникает при приобретении электроном энергии в ускоряющем поле, которая полностью переходит в энергию кванта.

,

,

преобразуем эту формулу:

(А°),

где лк - в А° (ангетрем); U - в кВ. Эта формула удобна для практических целей.

(нм)

Коротковолновое излучение (порядка 0,01 нм и меньше) имеет высокую энергию фотонов и обладает большой проникающей способностью и называется жестким. Более длинноволновое (от 0,01 нм и более) обладает не большой проникающей способностью и называется мягкимизлучением.

7.2 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействия его на биологические объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии фотона и энергии ионизации имеет места три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеивание. Это рассеивание длинноволнового рентгеновского излучения, которое происходит, в основном, без изменения длинны воны. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеивание само по себе не вызывает биологического действия.

Некогерентное рассеяние - это рентгеновское излучение с изменением длинны волны. Оно возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации). Впервые такое рассеяние в 1922 г. обнаружил А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, было замечено уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше чем подающего. Этот эффект носит название эффекта Комптона.

При этом явлении наряду с вторичным рентгеновским излучением появляются электроны отдачи. Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект - рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергии фотона недостаточно, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Эти три процесса являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям

7.3 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Процесс идет самопроизвольно (спонтанно). Само явление называется радиоактивным распадом, который сопровождается небольшим выделением теплоты. Радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г. и впоследствии исследовано супругами Кюри. Все элементы, для которых это явление характерно, получили название радиоактивных.

Рисунок 33.

- излучений (рис.33).- и -, Радиоактивное излучение имеет три составляющих-

- излучения отклоняются под действием постоянных электрических и магнитных полей и представляют собой соответственно потоки положительных и отрицательных заряженных частиц. и

Гамма - излучение с электрическим и магнитным полями не взаимодействует.

Различают радиоактивность естественную и искусственную. Оба вида подчиняются одним и тем же законам. Радиоактивное излучение невидимо.

Рассмотрим основные виды радиоактивного распада.

- излучение - частиц (дважды ионизованные атомы гелия). Заряд частицы равен +2е, массовое число 4, скорость 14·10- поток 3 - 20·103 км/с, энергия 4-9 МэВ. Они обладают большой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью - в воздухе 3 - 9 см, полностью поглощаются алюминием толщиной 0,06 мм и биологической тканью 0,12 мм.

- излучение - частицы двоякого рода: или электроны (для большинства радиоактивных веществ) или позитроны (у искусственно полученных радиоактивных веществ). Масса в-частицы меньше в 7350 раз массы б-частицы. Скорость ?160•103км/с. в-излучение имеет сплошной спектр. Энергия в пределах сотых долей (мягкое излучение) Мэв до 1-2 Мэв(жесткое излучение).

Необходимо отметить, что энергия, уносимая в-частицами из ядер, меньше энергии, которая испускается при в-распаде, т.е. нарушается закон сохранения энергии. Тогда Паули (1913 г.) высказал предположение, что при в- распаде вместе с в-частицей из ядра выбрасывается частица очень легкая и не обладающая зарядом, ее называют нейтрино (н). Она обладает чрезвычайно большой проникающей способностью. Непосредственное экспериментальное доказательство нейтрино было получено в 1956 г. Американскими физиками Рейнсом и Коуэном.

- излучение 10- поток фотонов, имеющих высокую частоту (19-лучей низка, а проникающая способность велика (несколько сот метров в воздухе, тело человека насквозь, слой свинца толщиной 5 см). для полного поглощения этих лучей необходим слой свинца толщиной более 20 см.Гц). Энергия фотонов порядка 1 МэВ. Это жесткое электромагнитное излучение испускаемое атомным ядром. Скорость равна скорости света. Ионизирующая способность

Радиоактивное излучение возникает в результате распада атомных ядер и ведет к превращению атомов излучающего вещества в атомы другого элемента.

Для элементов тяжелых ядер характерен - распад.

Радиоактивный распад ведет к постепенному уменьшению атомов радиоактивного элемента. Этот процесс статистический и для данного ядра можно лишь указать вероятность распада за данное время. Эта вероятность характеризуется коэффициентом (постоянной распада л).

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. еще не распавшихся) ядер данного элемента.

Следовательно, если вещество содержит N ядер, еще не распавшихся к началу данного промежутка времени, то количество dN ядер, распавшихся за dt время будет равно:

Знак минус указывает на уменьшение со временем величины N. Решением уравнения является экспоненциальная функция

- закон радиоактивного распада, где N0 - исходное количество ядер в момент t=0.

7.4 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Заряженные частицы и г-фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и частиц.

Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы (б и в) при прохождении через вещество является ионизационное торможение. При этом ее кинетическая энергия расходуется на ионизацию атомов среды.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценивают линейной плотностью ионизации, линейной тормозной способностью вещества и средним линейным пробегом частицы.

Под линейной плотностью ионизации i понимают отношение числа ионов одного знака dn, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути dl, к этому пути: i = dn/dl.

Линейной тормозной способностью вещества S называют отношение энергии dE, теряемой заряженной частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути: S = dE/dl.