авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ В. А. Подколзина Представленный вашему вниманию конспект лекций предназначен для подготовки студентов медицинских вузов к сдаче ...»

-- [ Страница 4 ] --

Примером влияния волоконной оптики на модернизацию су ществующих медицинских аппаратов является эндоскоп — спе циальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудка, прямой кишки и др.). Он состоит из основных частей: источника света и смотровой части. Используя волоконную оптику, удалось, во первых, свет от лампочки передать внутрь органа по светово ду, тем самым избегая нежелательного нагревания этого органа, которое неизбежно возникало при помещении источника света внутри полости в эндоскопах прежней конструкции;

во вторых, что самое главное, гибкость волоконно оптических систем допуска ет осмотр большей части полостей, чем жесткие эндоскопы.

С помощью световодов предполагается передача лазерного из лучения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

Сетчатка глаза человека является высокоорганизованной во локонно оптической системой, состоящей примерно из 130 волокон. Это наиболее сложная волоконно оптическая система, существующая в настоящее время.

6. Оптическая система глаза и некоторые ее особенности Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место. Для медиков глаз не только орган, способный к функциональным нарушениям и заболева ниям, но и источник информации о некоторых неглазных болез нях. Остановимся кратко на строении глаза человека.

Собственно глазом является глазное яблоко, имеющее не совсем правильную шаровидную форму: переднезадний размер у взросло го — 24,3 мм, вертикальный — 23,4 мм и горизонтальный — 23,6 мм.

Стенки глаза состоят из трех концентрически расположенных оболочек: наружной, средней и внутренней. Наружная белковая оболочка — склера — в передней части глаза превращается в про зрачную выпуклую роговую оболочку — роговицу. Толщина рого вицы в центре около 0,6 мм, на периферии — до 1 мм. По оптиче ским свойствам роговица — наиболее сильно преломляющая часть глаза. Она является как бы окном, через которое в глаз про ходят лучи света. Наружный покров роговицы переходит в конъ юнктиву, прикрепленную к векам.

К склере прилегает сосудистая оболочка, внутренняя поверх ность которой выстлана слоем темных пигментных клеток, пре пятствующих внутреннему диффузному рассеянию света в глазу.

В передней части глаза сосудистая оболочка переходит в радуж ную, в которой имеется круглое отверстие — зрачок. Непосред ственно к зрачку с внутренней стороны глаза примыкает хруста лик — прозрачное и упругое тело, подобное двояковыпуклой линзе. Диаметр хрусталика 8—10 мм, радиус кривизны передней поверхности в среднем 10 мм, задней — 6 мм. Показатель прелом ления вещества хрусталика несколько больше — 11,4. Строение хрусталика напоминает слоистую структуру лука, причем показа тель преломления слоев неодинаков. Вследствие этой специфики хрусталик преломляется так, как однородное вещество с показате лем преломления, большим показателя преломления любого слоя.

Между роговицей и хрусталиком расположена передняя каме ра глаза, она заполнена влагой — жидкостью, близкой по оптиче ским свойствам к воде. Вся внутренняя часть глаза от хрусталика до задней стенки занята прозрачной студенистой массой, назы ваемой стекловидным телом. Показатель преломления стекло видного тела такой же, как у водянистой влаги.

Рассмотренные выше элементы глаза в основном относятся к его светопроводящему аппарату.

Зрительный нерв входит в глазное яблоко через заднюю стенку;

разветвляясь, он переходит в самый внутренний слой глаза — сет чатку, или ретину, являющуюся световоспринимающим (рецеп торным) аппаратом глаза. Сетчатка состоит из нескольких слоев и неодинакова по своей толщине и чувствительности к свету, в ней находятся светочувствительные зрительные клетки, перифе рические концы которых имеют различную форму. Продолгова тые окончания называют палочками, капсулообразные — колбоч ками. Длина палочек 63—81 мкм, диаметр около 1,8 мкм, для колбочек соответственно 35 и 5—6 мкм. На сетчатке глаза челове ка расположено около 130 млн палочек и 7 млн колбочек.

В месте вхождения зрительного нерва находится не чувствитель ное к свету слепое пятно. В середине сетчатки, чуть ближе к височ ной области, лежит самое чувствительное к свету желтое пятно, центральная часть которого имеет диаметр около 0,4 мм. Колбочки и палочки распределены по сетчатке неравномерно. Колбочки рас положены главным образом в центральной части сетчатки, в жел том пятне, в центре желтого пятна находятся исключительно кол бочки, на краях сетчатки — только палочки.

Особенности светопроводящего аппарата глаза Глаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей, жидкостью передней камеры и хрусталиком (четырьмя преломляющимися поверхностями) и ограниченная спереди воздушной средой, сзади — стекловидным телом. Главная оптическая ось проходит через геометрические цен тры роговицы, зрачка и хрусталика.

Кроме того, выделяют еще зрительную ось глаза, которая опре деляет направление наибольшей светочувствительности и прохо дит через центры хрусталика и желтого пятна. Угол между глав ной оптической и зрительной осями составляет около 5°.

Основное преломление света происходит на внешней границе роговицы, оптическая сила всей роговицы равна приблизительно 40 дптр, хрусталика — около 20 дптр, а всего глаза — около 60 дптр.

Различно удаленные предметы должны давать на сетчатке оди наково резкие изображения. Такое приспособление глаза к чет кому видению различно удаленных предметов — «наводка на рез кость» — называют аккомодацией.

Когда предмет расположен в бесконечности, то его изображе ние в нормальном глазу находится на сетчатке. Хрусталик при этом аккомодирован на бесконечность, и его оптическая система наименьшая. Если предмет приближается к глазу, то у хрусталика увеличивается кривизна;

чем ближе предмет, тем больше оптиче ская сила глаза, ее изменения происходят приблизительно в пре делах 60—70 дптр.

У взрослого здорового человека при приближении предмета к глазу до расстояния 25 см аккомодация совершается без напряже ния, и благодаря привычке рассматривать предметы, находящиеся в руках, глаз чаще всего аккомодирует именно на это расстояние, называемое расстоянием наилучшего зрения. Для рассмотрения еще более близких предметов приходится уже напрягать аккомода ционный аппарат. Наиболее близкое расположение предмета от глаза, при котором еще возможно четкое изображение на сетчатке, называют ближней точкой глаза (ближней точкой ясного видения).

Расстояние до ближней точки глаза с возрастом увеличивается;

сле довательно, аккомодация уменьшается. Размер изображения на сет чатке зависит не только от размера предмета, но и от его удаления от глаза, т. е. от угла, под которым виден предмет. В связи с этим вводят понятие угла зрения. Это угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через совпадающие угловые точки.

Для характеристики разрешающей способности глаза исполь зуют наименьший угол зрения, при котором человеческий глаз еще различает две точки предмета. Этот угол приблизительно ра вен расстоянию между точками, равному 70 кмк, если они нахо дятся на расстоянии наилучшего зрения. Размер изображения на сетчатке в этом случае равен 5 мкм, что соответствует среднему расстоянию между двумя колбочками на сетчатке. Поэтому, если изображение двух точек на сетчатке займет линию короче 5 мкм, то эти точки не разрешатся, т. е. глаз их не различит.

Такое же значение наименьшего угла зрения будет получено, если учесть ограничения, которые накладывает дифракция света: число колбочек, приходящихся на единицу площади сетчатки, отвечает предельным возможностям геометрической оптики.

В медицине разрешающую способность глаза оценивают остро той зрения. За норму остроты зрения принимается единица. В этом случае наименьший угол зрения равен 1.

При отклонениях острота зрения во столько раз меньше нор мы, во сколько раз наименьший угол зрения.

Если для больного наименьший угол зрения равен 4, то острота зрения равна 1 : 4 = 0,25. В отдельных случаях глаз человека различа ет и более мелкие величины, чем те, которые соответствуют углу 1.

В физических измерениях часто применяют приборы, в которых стрелка не должна смещаться с нулевого деления (штриха) шкалы.

Благодаря способности глаза обнаруживать малые смешения линий такие приборы могут давать более точные показания, чем те, в ко торых определяется расстояние между штрихом и стрелкой.

Чувствительность глаза к свету и цвету, а также биофизические вопросы зрения будут рассматриваться в следующих разделах.

Недостатки оптической системы глаза и их устранение Абберации (уклонение), свойственные линзам, у глаз почти не ощущаются.

Сферическая абберцаия незаметна ввиду малости зрачка и про является лишь в сумерках, когда зрачок расширен: изображения нерезки.

Астигматизм (неточечный, точке предмета соответствует не одна точка изображения) косых пучков не имеет места, так как глаз всегда устанавливается в направлении наблюдаемого пред мета. Исключение составляет лишь астигматизм, обусловленный асимметрией оптической системы (несферическая форма рого вицы или хрусталика). Это проявляется, в частности, в неспособ ности глаза одинаково резко видеть взаимно перпендикулярные линии на испытательной таблице. Такой недостаток глаза ком пенсируют специальными очками с цилиндрическими линзами.

Оптической системе глаза свойственны некоторые специфи ческие недостатки. В нормальном глазу при отсутствии аккомо дации задний фокус совпадает с сетчаткой — такой глаз называют эмметропическим, и аметропическим, если это условие не вы полняется.

Наиболее распространенными видами аметропии являются близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия). Бли зорукость — недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус при отсутствии аккомодации лежит впереди сетчатки;

в случае дальнозоркости задний фокус при отсутствии аккомодации ле жит за сетчаткой. Для коррекции близорукого глаза применяют рассеивающую линзу, дальнозоркого — собирающую.

7. Тепловые излучения тел Из всего многообразия электромагнитных излучений, види мых или невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепло вое излучение. При тепловом излучении энергия переносится от одного тела к другому благодаря испусканию и поглощению электромагнитных волн. Тепловое излучение нагретых тел возни кает при любых температурах, поэтому испускается всеми тела ми. В зависимости от температуры тела изменяются интенсив ность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Равновесное (черное) излучение — это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими опреде ленную температуру. Плотность энергии равновесного излуче ния и его спектральный состав зависят только от температуры.

Абсолютно черное тело — это тело, которое полностью погло щает любое падающее на его поверхность электромагнитное из лучение независимо от температуры тела.

Для абсолютно черного тела поглощательная способность (от ношение поглощенной энергии к энергии падающего излучения) равна единице.

Плотность энергии и спектральный состав излучения, испу скаемого единицей поверхности абсолютно черного тела (излуче ние абсолютно черного тела, черное излучение), зависят только от его температуры, но не от природы излучающего вещества. Излу чение абсолютно черного тела может находиться в равновесии с ве ществом (при равенстве потоков излучения, испускаемого и по глощаемого абсолютно черным телом, имеющим определенную температуру). По своим характеристикам такое излучение подчи няется закону излучения Планка, определяющему испускатель ную способность и энергетическую яркость абсолютно черного тела. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное те ло излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенны ми порциями, квантами.

Закон Кирхгора устанавливает количественную связь между из лучением и поглощением — при одинаковой плотности энергети ческой светимости к монохроматическому коэффициенту погло щения света для любых тел, в том числе и для черных. Закон Кирхгора устанавливает, что отношение испускательной способ ности r тела к его поглотительной способности абсолютно черно го тела f (, Т) при тех же значениях температуры и частоты:

r T = f (T ), aT где — частота волны.

Закон Стефана Больцмана: энергетическая интегральная све тимость R (T) абсолютно черного тела пропорциональна четвер той степени абсолютной температуры:

R(T) = QT4.

Числовое значение постоянной Q, называемой постоянной Стефана Больцмана, равна:

Вт.

Q = 5,7 ґ 10 2К Закон смещения Випа — длина m, на которую приходится мак симум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно про порциональна абсолютной температуре Т. Значение постоянной Випа 2,898 ґ 10 3.

K — постоянная Випа. Этот закон выполняется и для серых тел.

Проявление закона Випа известно из обыденных наблюдений.

При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно красным светом, а при очень высокой температу ре — белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагре тости тела.

Законы Стефана Больцмана и Випа позволяют, измеряя излу чение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).

Излучение Солнца. Источники теплового излучения, применяемые для лечебных целей Наиболее общим источником теплового излучения, обуслов ливающим жизнь на Земле, является Солнце.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м2 площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной.

В зависимости от высоты Солнца над горизонтом путь, прохо димый солнечными лучами в атмосфере, изменяется в довольно больших пределах с максимальным различием в 30 раз. Даже при самых благоприятных условиях на 1 м2 поверхности земли падает поток солнечной радиации 1120 Вт. Ослабление радиации атмо сферой сопровождается изменением ее спектрального состава.

Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актино метром. Принцип действия его основан на использовании нагрева ния зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова Янишев ского приемной частью радиации является тонкий зачерченный с наружной стороны серебряный диск. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов, другие спаи прикреп лены к медному кольцу внутри корпуса актинометра и затенены.

Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого пропорциональна потоку радиации.

Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцеле чение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма.

Для лечебных целей используют искусственные источники тепло вого излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные из лучатели (нифраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль на гревательного элемента накаливается током до температуры поряд ка 400—500 °С.

Инфракрасное излучение и его применение в медицине Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света и коротковол новым радиоизлучением, называют инфракрасным.

Инфракрасную область спектра условно разделяют на близкую (0,76—2,5 мкм), среднюю (2,5—50 мкм) и далекую (50—200 мкм).

Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный ин фракрасный спектр и в обычных условиях практически не толь ко являются источниками излучения инфракрасного излучения, но и имеют максимальное излучение в инфракрасной области спектра. При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому не все тела могут быть использованы в каче стве источников инфракрасного излучения. В связи с этим наря ду с тепловыми источниками инфракрасного излучения исполь зуют еще и ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые уже не дают сплошного спектра. Мощным источником инфра красного излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в инфракрасной области спектра.

Методом обнаружения и измерения инфракрасное излучение делят в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические.

Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагрева ние которого вызывает электрический ток. К фотоэлектрическим приемникам относят фотоэлементы, электронно оптические преобразователи, фотосопротивления. Обнаружить и зарегистри ровать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротко волновым инфракрасным излучением, близким к видимому свету.

Для лечения используют специальные лампы.

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникаю щим температурным градиентом, что активирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровообращения облу ченного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света и длинноволновой ча стью рентгеновского излучения, называют ультрафиолетовым (УФ).

В области ниже 200 нм ультрафиолетовое излучение сильно погло щается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэ тому особого интереса для медицины не представляет. Остальную часть ультрафиолетового спектра условно делят на три области:

А (400—315 нм), В (315—280 нм) и С (280—200 нм).

Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю ультрафиолетового излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответ ствии с законом Випа даже для наиболее длинной волны (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение серых тел не может служить эффек тивным источником мощного ультрафиолетового излучения. Наи более мощным источником ультрафиолетового излучения являет ся Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет ультрафиолетовое.

В лабораторных условиях в качестве источников ультрафиоле тового излучения используют электрический разряд в газах и па рах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейный частый спектр.

Измерение ультрафиолетового излучения в основном осу ществляется фотоэлектрическими приемниками: фотоэлемента ми, фотоумножителями. Индикаторами ультрафиолетового света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

Ультрафиолетовое излучение необходимо для работы ультра фиолетовых микроскопов, для люминесцентного анализа. Глав ное применение ультрафиолетового излучения в медицине связа но с его специфическим биологическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами.

Фотон. При испускании и поглощении свет ведет себя подоб но потоку частиц с энергией E = hv. Световая частица называется фотоном, или квантом электромагнитного излучения. Процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии происходят не непрерывно, а конечными порциями — квантами. Квант — это минимальная порция энергии, излучае мой или поглощаемой телом. По теории Планка энергия кванта Е прямо пропорциональна частоте света: E = hv, где h — так назы ваемая постоянная Планка, равная h = 6,626 10 34 Дж·с.

ЛЕКЦИЯ №10. Физика атомов и молекул До конца XX века атом считали неделимой частицей. Однако от крытие электронов, обнаружение их в составе всех веществ убеди ло ученых в сложном строении атома. Решающее значение для по нимания структуры атома сыграли знаменитые опыты Э. Резерфорда по рассеянию альфа частиц. Были созданы условия для развития физики атома, которая изучает строение и состояние атомов: тео рия атома, атомная (оптическая) спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия и другие вопросы. Физика атомов и особенно физика молекул перекликаются с вопросами, рассматриваемыми в химии.

Врач должен иметь представление о природе физических и фи зико химических процессов, происходящих в организме челове ка. В конечном итоге эти процессы «разыгрываются» на молеку лярном уровне.

1. Теория атома Бора Изучая происхождение альфа частиц (ядер атомов гелия) через тонкую золотую фольгу, английский ученый Э. Резерфорд обнару жил, что большинство этих частиц свободно проходят через много численные слои атомов, и вещество в этих экспериментах ведет се бя как крупное сито, свободно пропускающее довольно тяжелые заряженные частицы. Для объяснения полученных результатов Э. Резерфорд разработал так называемую планетарную модель ато ма, где основная масса сосредоточена в ядре, размеры которого крайне малы, а электроны, входящие в состав атома, вращаются вокруг этого ядра. Планетарная модель хорошо объясняла поведе ние альфа частиц, но противоречила выводам классической физи ки: двигаясь с ускорением, любая заряженная частица должна из лучать электромагнитные волны. Энергия электрона в этом случае должна быстро уменьшаться, и он должен упасть на ядро.

Датский ученый Н. Бор сумел разрешить это противоречие, сформулировав три постулата, которые легли в основу его теории строения атома. Эти постулаты гласили:

1) в атоме существуют стационарные орбиты, на которых электрон не излучает и не поглощает энергию;

2) радиус стационарных орбит дискретен;

его значения долж ны удовлетворять условиям квантомании момента импульса электрона:

nh, mr = 2n где n — целое число;

h — постоянная Планка;

3) при переходе с одной стационарной орбиты на другую элект рон испускает или поглощает квант энергии, причем величина кванта в точности равна разности энергий этих уровней:

h = 12.

Из этих постулатов видно, что фактически Н. Бором были введе ны новые — квантовые — представления о свойствах электрона в ато ме. Согласно им энергия электрона также становится дискретной (квантуется). Ze — заряд ядра атома, вокруг которого вращаются од ни электроны массой m, радиус орбиты которого r, а скорость на ор бите. Тогда уравнение движения электрона можно записать в сле дующем виде:

m 2 I ґ Ze =, 4 c0r r где сила, стоящая в правой части этого уравнения, является силой взаимодействия двух зарядов: e и Ze, а — центростреми r тельное ускорение электрона. Сокращая знаменатели обеих частей этого уравнения и используя выражение второго посту лата Н. Бора, получаем систему из двух уравнений для скоро сти и радиуса орбиты r:

4 0m 2r = Zer ;

2 mr = nh, откуда 0n 2h 2.

Ze = r=, 2 0nh mZe Общая энергия электрона на орбите складывается из его кине тической и потенциальной энергии его взаимодействия с заря дом ядра:

W = Tкин + Uпот, или m 2 1 Ze W=.

4 0 r Знак «минус» означает, что заряд электрона — отрицательный.

Таким образом, общая энергия электрона в атоме оказывается от рицательной и увеличивается с ростом n. Частота излучения, ко торая соответствует переходу с n ой орбиты на орбиту с номером m, равна:

R 1 v=.

n m2 n Если атомы являются изолированными и не участвуют в дру гих взаимодействиях, то допустимые частоты образуют набор от дельных спектральных линий, соответствующих различным зна чениям чисел n и m. Обычно такое состояние атомов наблюдается в газах. Каждому химическому элементу соответствуют свои спектральные линии, на этом основан спектральный анализ, поз воляющий по наблюдаемому набору линий установить химиче ский состав исследуемого объекта. При исследовании спектров испускания наблюдаются узкие светящиеся линии, а если свет проходит через холодный газ, то наблюдаются темные линии на тех местах, которые соответствуют положению линий излучения горячим газом. Эти темные линии называются спектрами погло щения.

При очень низких температурах электроны в атомах стремятся занять орбиты с наименьшими значениями энергии, но при ко нечных температурах за счет энергии теплового движения атомов электроны могут приобретать дополнительную энергию и пере ходить на более высоколежащие орбиты, степень заселенности которых определяется распределением Больцмана: чем выше зна чения энергии, тем меньшее количество электронов занимает данный уровень. Поэтому в обычном состоянии атомы больше поглощают электромагнитные волны (набор разрешенных частот может лежать в любом диапазоне), чем излучают. Для того чтобы процесс излучения преобладал над процессом поглощения, атому необходимо сообщать энергию. Приобретая эту энергию, атомы переходят в возбужденное состояние, но оно является энергети чески невыгодным, и обычно через очень короткий промежуток времени электроны возбужденного атома переходят на орбиты с меньшей энергией. Процесс перехода является случайным, по этому значения начальной фазы и направления колебаний векто ров электрического и магнитного полей изменяются от одного атома к другому хаотическим образом. Получающееся электро магнитное излучение является некогерентным. Однако сущест вует возможность своеобразной синхронизации процессов излу чения. Использование такой возможности определяет принцип действия генераторов коротковолнового излучения — мазеров и лазеров.

Теория Бора не отвергла полностью законы классической физи ки при описании поведения атомных систем. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулонов ском поле ядра. Классическая ядерная модель атома Резерфорда была дополнена в теории Бора идеей о квантовании электронных орбит. Теория Бора в свое время явилась триумфом развития атом ной физики. Впервые, хотя и для простейшей атомной системы (один электрон вращается вокруг ядра), были раскрыты законо мерности спектров.

Несмотря на большой успех теории Бора, скоро стали заметны и ее недостатки. Так, в рамках этой теории не удалось объяснить различие интенсивностей спектральных линий, т. е. ответить на вопрос, почему одни электрические переходы более вероятны, чем другие. Теория Бора не раскрыла спектральных закономер ностей более сложной атомной системы — атома гелия (два элект рона, вращающиеся вокруг ядра). Недостатком теории Бора была ее непоследовательность. Эта теория не была ни классической, ни квантовой, она объединяла в себе положения принципиально от личных теорий: классической и квантовой физики. Так, например, в теории Бора считается, что электрон вращается в атоме по опре деленной орбите (классические представления), но при этом он не излучает электромагнитной волны (квантовые представления).

В первой четверти XX в. стало ясно, что теория Бора должна быть заменена другой теорией атома. Появилась квантовая механика.

Гипотеза де Бройля. Как известно, свет обладает как свойства ми, свидетельствующими о его волновой природе (например, ин терференцией, дифракцией), так и свойствами, свидетельствую щими о его корпускулярной природе.

Луи де Бройль предположил, что наравне с квантами света части цы вещества, так же как и фотоны, имеют еще и волновые свой ства. Поскольку фотон обладает энергией E = h и импульсом Eh p = mc = =, то де Бойль предположил, что движение части c цы связано с волновым процессом, длина волны которого равна:

h h = =, p mv а частота:

E.

v= h Таким образом, волновые свойства присущи не только сово купности электронов, но и каждому электрону в отдельности.

2. Электронные оболочки сложных атомов Квантовые числа, описывающие состояние электрона в атоме водорода, используют для приближенной характеристики состоя ния отдельных электронов сложных атомов. Квантовыми числа ми называют целые или полуцелые числа, определяющие воз можные дискретные значения физических величин, которые характеризуют квантовые системы и элементарные частицы.

При образовании электронной конфигурации, соответствую щей нормальному состоянию, каждый электрон атома стремится иметь наименьшую энергию. Электроны с одинаковым главным квантовым числом образуют слой. Слои называются K, L, M, N и так далее в соответствии с n = 1, 2, 3, 4,… и входят в состав обо лочки, которая кратко обозначается так же, как соответствую щие состояния для электрона атома водорода: 1s, 2s, 2p и т. д.

Так, например, называют 2s оболочку, 2s электроны и т. п.

Главными квантовыми числами называются энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится. Этих чисел четыре: главное — n, орбитальное — I, магнитное — m и спиновое — ms. Главное кван товое число n определяет общую энергию электрона и степень его удаления от ядра (номер энергетического уровня). Оно принимает любые целочисленные значения, начиная с 1 (n = 1, 2, 3…). Груп па линий водородного спектра такова: n = 1 — серия Лаймана, n = 2 — серия Бальмера, n = 3 — серия Пашена, n = 4 — серия Брэкета, n = 5 — серия Пфунда, n = 6 — серия Хемфри.


Орбитальное квантовое число I определяет форму атомной ор битали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n (I = 0, 1, 2, 3, …, n — 1). Каждое значение I соответствует орбита ли особой формы: s орбитали (I = 0);

р орбитали (I = 1, бывают трех типов в зависимости от квантового числа m);

d орбитали (I = 2, существует пять типов);

f орбитали (I = 3, семь типов). Для ато мов водорода довольно просто можно высчитать кратность вы ражения, зная n и m. Каждому из n значений квантового числа I соответствует 21 + 1 значений квантового числа m. Тогда можно высчитать число различных состояний для данного числа n, и оно равно:

n (21 + 1) = n.

n + Магнитное квантовое число m определяет направление орби тали в пространстве. Его значения изменяются от +1 до 1, включая 0. Например, при I = 1 число m принимает три значе ния: +1, 0, 1.

Многоэлектронные атомы — это атомы, в которых содержится три или более электронов. Например, для атомов, содержащих три электрона, единственно возможная устойчивая структура бу дет тогда, когда третий электрон будет иметь орбиту в плоскости, перпендикулярной плоскости орбит двух электронов гелиопо добного атома.

Третий электрон не может раздвинуть орбиты двух первых электронов из за их сильного магнитного взаимодействия.

При добавлении четвертого электрона из третьего и четвертого электронов образуется подобие системы первого и второго элект ронов, только в перпендикулярной плоскости, при этом ядро оказы вается в фокусе эллипсообразных орбит. Далее этот процесс про должается до образования 8 электронного тора без внутреннего отверстия, в котором, если двигаться по окружности вдоль оси тора, встречающиеся в нем электроны вращаются вокруг ядра в одну сторону.

Принцип Паули. Согласно принципу Паули в одном и том же атоме или в какой бы то ни было другой квантовой системе не мо жет быть двух электронов, обладающих одинаковой совокупно стью квантовых чисел (главного — n, орбитального — I, магнит ного — m и спинового — ms). Принцип Паули также справедлив и для других частиц, имеющих полуцелый спин.

Заполнение электронных оболочек (слоев) Выше было посчитано, что числу n соответствует n2 состояний, отличающихся значениями I ms. При этом спиновое число ms 1 принимает только два значения: + и, а значит, в атоме 2 в состояниях с данным числом n могут находиться не более 2n электронов. Совокупность электронов, имеющих одинаковые значения числа n, образует оболочку.

То, каким образом заполняются электронные состояния в ато мах, и периодичность изменений свойств химических элементов позволили расположить все химические элементы в таблице 2.

Таблица Электронные состояния в атомах Главное квантовое число n Максимальное число электронов 1 2e 2 8e 3 и т. д. 16e и т. д.

Правила заполнения Периодической системы элементов Д. И. Менделеева таковы: порядковому номеру химического элемента соответствует число электронов в атоме.

Состояние электронов определяется набором квантовых чисел, при этом электроны, распределяясь по энергетическим состоя ниям, занимают состояние с наименьшей энергией.

Запоминание электронами энергетических состояний проис ходит по принципу Паули.

3. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами Огромное количество разных явлений происходит потому, что изменяется энергия атомов и молекул.

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергети ческих состояниях. В этих состояниях они не излучают и не по глощают энергии.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.

Изменение состояния атомов связано с энергетическими пере ходами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие из менения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями.

При переходе с более высоких энергетических уровней на ниж ние атом или молекула отдают энергию, при обратных переходах — поглощают. Атом в основном состоянии способен только погло щать энергию.

Различают два типа квантовых переходов:

1) без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучательный переход про исходит при взаимодействии атома и молекулы с другими части цами, например в процессе столкновения;

2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома и молекулы: hv = EI – EK. Формула выражает закон сохранения энергии. В зависимости от причины, вызы вающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужден ная частица самопроизвольно переходит на нижний энергети ческий уровень, то такое излучение называют спонтанным.

Оно случайно и хаотично по времени, частоте, по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Другое излуче ние вынужденное, или индуцированное.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая — спектр поглощения.

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), выделяют следующие виды спектроскопии: радио, инфракрасная, видимого излучения, ультра фиолетовая и рентгеновская. По типу вещества (источника спектра) различают атомные молекулярные спектры и спектры кристаллов.


Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из за поглощения и рассеяния его молекулами (атома ми) вещества. Поглощением света называют ослабление интенсив ности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии. Спектры поглощения являются источником информации о состоянии веще ства и о структуре энергетических уровней атомов и молекул.

Рассеянием света называют явление, при котором распростра няющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям. Необходимое условие для возникновения рассея ния света — наличие оптических неоднородностей, т. е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или не однородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерферен цией вторичных волн, а рассеяние — сложением (а не интерфе ренцией) излучений, возникающих при вынужденных колеба ниях электронов в неоднородностях под воздействием света.

Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном ве ществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые части цы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмуль сии и т. п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом ве ществе из за статического отклонения молекул от равномер ного распределения (флуктуация плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным (на пример, рассеяние света атмосфере).

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают с помощью показательной функции:

Ii = I0mi, где m — показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослаб ление интенсивности тоже является показательной функцией:

Ii = I0i, где — показатель ослабления (натуральный).

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и иное приносят информацию о параме трах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, раз мерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т. д. Методы измерения рассеянного све та с целью получения такого рода сведений называют нефеломет рией, а соответствующие приборы — нефелометрами.

4. Оптические атомные спектры Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых пере ходах между уровнями свободных или слабовзаимодействующих атомов. Под оптическими атомными спектрами понимают те, ко торые обусловлены переходами между уровнями внешних элект ронов с энергией фотонов порядка нескольких электрон вольт.

Сюда относятся ультрафиолетовая, видимая и близкая инфра красная (до микрометров) области спектра.

В спектре можно выделить группы линий, называемые спек тральными сериями. Каждая серия применительно к спектрам ис пускания соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный.

Для атомного спектрального анализа используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный атомный спектральный анализ).

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с ги гиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для судебной медицины и т. п.

5. Различные виды люминесценции Люминесценцией называют избыточное над тепловым излуче ние тела при данной температуре, имеющее длительность, значи тельно превышающую период излучаемых световых волн.

В зависимости от вида возбуждения различают несколько ти пов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами — ионолюминесценция, электронами — катодолюминесценция, ядер ным излучением — радиолюминесценция. Люминесценцию под воздействием рентгеновского и гамма излучения называют рентге нолюминесценией, фотонов — фотолюминесценцией. При расти рании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбужда ется электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминес ценцией.

6. Фотолюминесценция Фотолюминесценция называется просто люминесценцией и под разделяется на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение).

Для фотолюминесценции в основном справедлив закон Сток са: спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн от носительно спектра, вызвавшего эту фотолюминесценцию.

Ряд биологически функциональных молекул (например, моле кулы белков) обладает флуоресценцией. Параметры флуоресцен ции чувствительны к структуре окружения флуоресценцией мо лекулы, поэтому по люминесценции можно изучать химические превращения и межмолекулярное воздействие.

Для медицинских целей применяется фотолюминесценция:

люминесцентный анализ, основанный на наблюдении люминес ценции объектов с целью их исследования, используют для обна ружения начальной стадии порчи продуктов, сортировки фарма кологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний.

Так, пораженные грибком волосы и чешуйки под ультрафиолето вым светом дают ярко зеленое люминесцентное свечение. Про ницаемость капилляров кожи можно определить, вводя подкож но люминесцентные красящие вещества.

При благоприятных условиях люминесцентный анализ позво ляет обнаружить люминесцирующие вещества массой до 10 10 г.

Люминесцентный анализ микроскопических объектов проводят с помощью специальных люминесцентных микроскопов, в кото рых в отличие от обычных источников света, как правило, исполь зуются ртутные лампы, лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяются два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, ко торая вызывает люминесценцию объекта;

другой, находящийся между объективом и окуляром, выделяет свет люминесценции.

7. Хемилюминесценция Люминесценция, сопровождающая химические реакции, на зывается хемилюминесценцией. Она испускается либо непосред ственно продуктами реакции, либо другими компонентами, ко торые возбуждаются в результате переноса энергии или от про дуктов реакции.

Яркость хемилюминесценции — свечение, сопровождающее химические реакции биологических объектов, — называют био хемилюминесценцией.

Интенсивность хемилюминесценции существенно возрастает при добавлении к исследуемым биологическим системам, напри мер, солей двухвалентного железа. То же самое происходит с плаз мой крови при гнойном аппендиците и при холецистите, можно заметить, что свечение в первом случае значительно слабее. Та ким образом, хемилюминесценция может использоваться как диагностический метод.

Содержание ЛЕКЦИЯ №1. Медицинская физика — краткая история...... ЛЕКЦИЯ №2. Основы кибернетики....................... 1. Кибернетические системы........................... 2. Понятие о медицинской кибернетике................. ЛЕКЦИЯ №3. Механика................................. 1. Основы механики................................... 2. Механические колебания и волны.................... ЛЕКЦИЯ №4. Акустика.................................. 1. Характеристики слухового ощущения................. 2. Физические основы звуковых методов исследования в клинике............................... 3. Физика слуха....................................... 4. Ультразвук и его применение в медицине.............. 5. Инфразвук......................................... ЛЕКЦИЯ №5. Гидродинамика. Механические свойства твердых тел и биологических тканей.

Физические вопросы гемодинамики....................... 1. Методы определения вязкости жидкости.............. 2. Механические свойства твердых тел и биологических тканей............................... 3. Механические свойства биологических тканей......... 4. Физические вопросы гемодинамики.................. ЛЕКЦИЯ №6. Термодинамика и электродинамика.......... 1. Термодинамика.................................... 2. Физические процессы в биологических мембранах..... 3. Электродинамика................................... ЛЕКЦИЯ №7. Электрический ток......................... 1. Плотность и сила тока............................... 2. Магнитное поле.................................... 3. Электромагнитная индукция.

Энергия магнитного поля.............................. 4. Полное сопротивление (импеданс) тканей организма. Физические основы реографии........ 5. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения.......... 6. Электромагнитные волны........................... ЛЕКЦИЯ №8. Общая и медицинская электроника......... 1. Электроника и некоторые направления ее развития.... 2. Система получения медико биологической информации................... 3. Усилители генераторы............................. ЛЕКЦИЯ №9. Оптика................................... 1. Развитие взглядов на природу света.................. 2. Волновая оптика................................... 3. Понятие о голографии и ее возможное применение в медицине................ 4. Поляризация света................................. 5. Волоконная оптика и ее использование в медицинских приборах.............................. 6. Оптическая система глаза и некоторые ее особенности.......................... 7. Тепловые излучения тел............................ ЛЕКЦИЯ №10. Физика атомов и молекул................. 1. Теория атома Бора................................. 2. Электронные оболочки сложных атомов.............. 3. Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами............................... 4. Оптические атомные спектры....................... 5. Различные виды люминесценции.................... 6. Фотолюминесценция.............................. 7. Хемилюминесценция.............................. Подколзина В. А.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ Заведующая редакцией: Грама М. Н.

Выпускающий редактор: Анохина Я. С.

Корректор: Фетисова И. В.

Формат: 84 ґ 108/ Гарнитура: «Ньютон»



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.