Первичные физические механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Зачет по физике-математике

19. Внешние электрические поля органов и тканей. Понятие об электрографии. Представление об эквивалентном электрическом генераторе. Токовый диполь. Физические основы электрокардиографии.Электромиография.

При функционировании тканей и органов, как и отдельных клеток, в организме создается электрическое поле. Два электрода, приложенные к разным участкам тела, регистрируют разность потенциалов.

Электрография - метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела. Два электрода, приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют меняющуюся во времени разность потенциалов. Временная зависимость изменения этой разности потенциалов ∆φ(t) называется электрограммой.

В клинической практике прямое измерение разности потенциалов на органе трудно осуществимо. Поэтому для оценки функционального состояния органа по его электрической активности используется принцип эквивалентного генератора. Он состоит в том, что изучаемый орган, состоящий из множества клеток, возбуждающихся в различные моменты времени, представляется моделью единого эквивалентного генератора. Считается, что этот эквивалентный генератор находится внутри организма и создает на поверхности тела электрическое поле, которое изменяется в соответствии с изменением электрической активности изучаемого органа.

Токовый диполь(дипольный электрический генератор) – двухполюсная система в проводящей среде, состоящая из истока и стока тока.

<-(токовый диполь и созданные им линии тока)

По Эйнховену: Сердце это токовый диполь с дипольным моментом Р(с), который поворачивается, изменяет свое приложение и точку приложения за время сердечного цикла. Сердце в середине равност треугольника правая рука- левая рука – левая нога (эти точки – отведения), в центре сердце(токовый диполь). ЭКГ – график изменения во времени разности потенциалов за цикл работы сердца.

ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЯ ) – метод диагностики нервно-мышечных заболеваний, основанный на регистрации спонтанных колебаний электрических потенциалов мышечных и нервных волокон .

20. Действие токов и полей на ткани организма. Методы физиотерапии: гальванизация, электрофорез, диатермия, электросон, УВЧ-терапия, индуктотермия. Тепловой эффект при воздействии переменным высокочастотным током, переменным высокочастотным электрическим полем и магнитным полем (формулы).

Силa тoкa и eгo влияниe нa сpeду, в кoтoрoй oн pacпpocтpaняeтся, зaвиcят нe тoлькo oт вeличины пpилoженнoй paзнocти пoтeнциaлoв, нo и oт cвoйcтв cамoй cpеды, oпpeдeляющих ee элeктpoпрoвoдимocть. Биoлoгичeскиe ткaни нeoднopoдны по строению и включaют кaк элeктpoпpoвoдящиe жидкocти (кpoвь, лимфa, cпиннoмoзгoвая жидкocть и дp.), тaк и диэлектрические ткани (кожа, кость, жиpoвaя клeтчaткa).

*Гальванизация – это воздействие на тело человека постоянным электрическим током при напряжении до 80 В и силе тока до 50 мА. Предельно допустимая плотность тока – 0,1мА/см².

*Лекарственный электрофорез представляет собой сочетанное воздействие на организм двух факторов: физического – электрического тока и химического – ионов лекарственного вещества, поступающих в организм с током через кожу или слизистые оболочки.
*Диатермия - метод электролечения, заключающийся в местном воздействии на организм переменным током высокой частоты и большой силы, приводящем к повышению температуры тканей. Если при этом один из электродов изготовить в виде острия (ножа), то выделяющуюся энергию можно сконцентрировать на очень малом участке тела и использовать для сваривания тканей (диатермокоагуляция) или их рассечения, которое не сопровождается капиллярным кровотечением (электротомия).

* Электросон - это метод электротерапии, в основе которого лежит использование импульсных токов низкой частоты. Они оказывают непосредственное воздействие на центральную нервную систему. При этом вызывается ее торможение, приводящее ко сну.

*Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия - лечебное использование электрической составляющей переменного электромагнитного поля ультравысокой частоты. В результате поляризации дипольные молекулы тканей приходят в колебательное движение, что сопровождается образованием тепловой энергии и получением лечебного эффекта.

*Высокочастотная магнитотерапия - лечебное применение магнитной составляющей гармонического электромагнитного поля высокой частоты (устаревшее название этого метода - индуктотермия).

Лечение магнитным полем: Выраженный тепловой эффект начинает проявляться на частотах порядка 10 МГц. Количество теплоты, выделяющейся за единицу времени в единице объема проводника, определяется формулой. Здесь ρ - удельное сопротивление ткани.

Лечение переменным эл полем. где U - действующее значение напряжения на электродах, создающих переменное электрическое поле, k - некоторый геометрический коэффициент

21. Гемодинамика: вязкость жидкости, ньютоновские и неньютоновские жидкости, реологические свойства крови, ламинарное и турбулентное течение жидкости, закон Пуазейля. Пульсовые волны

Гемодинамика — движение крови по сосудам, возникающее вследствие разности гидростатического давления в различных участках кровеносной системы (кровь движется из области высокого давления в область низкого).

Вязкость (или внутреннее трение) характеризует свойство воздуха оказывать сопротивление относительному перемещению своих частиц, а также перемещению в воздухе твердого тела. Причина вязкости – взаимодействие молекул при их хаотическом движении.

Это уравнение Ньютона. Здесь (градиент скорости), η — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения, или динамической вязкостью (или просто вязкостью). Вязкость зависит от состояния и молекулярных свойств жидкости (или газа).

Единицей вязкости является паскаль-секунда (Па • с). Иногда вязкость выражают в пуазах¹ (П):

Для многих жидкостей, например для воды, вязкость не зависит от ,

такие жидкости подчиняются уравнению Ньютона (8.9) и их называют ньютоновскими. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению (8.9), относят к неньютоновским. Иногда вязкость ньютоновских жидкостей называют нормальной, а неньютоновских — аномальной.

Реологические свойства крови — вязкость и текучесть, предмет изучения биореологии. Вязкость крови зависит от содержания белков и форменных элементов, главным образом эритроцитов, и от калибра кровеносных сосудов, величина, обратная вязкости, называется текучестью. При патологических состояниях текучесть крови существенно изменяется благодаря действию определенных факторов свертывающей системы крови.

Ламинарным называется течение, при котором слои жидкости текут не перемешиваясь, скользят друг относительно друга.(артерии)

Турбулентным (вихревым) называется течение, при котором скорость движения частиц жидкости меняется. Частицы приходят в колебательное движение(аорта)

Пульсовая волна – волна, распространившаяся по аорте и артериям повышенного давления, вызываемая выбросом крови из левого желудочка в период систолы.

- уравнение Пуазейля— физический закон гидродинамики для так называемого течения Пуазёйля, то есть установившегося течения вязкой, в частном случае несжимаемой, жидкости в тонкой цилиндрической трубе

22. Биореология: деформация, виды деформаций, математическое моделирование механических свойств биологических тканей (кость, кожа,мышцы).

Биореология - раздел физики, изучающий поведение биожидкостей и тканей при их течении и деформации.

Деформация - изменение взаимного расположения частиц тела, которое приводит к изменению его формы и размеров.

Деформация – изменение взаимного расположения и расстояния между отдельными точками тела, на которые оказывается внешнее воздействие. Мера деформации: Ɛ=ΔL𝐿=𝐿−𝐿𝑜𝐿. Деформация в зависимости от величины внешней силы, действующей на тело: упругая и вязкая. Основные виды деформации: 1)растяжение 2)изгиб 3)кручение 4)сдвиг. Математическое моделирование реологических свойств биологических тканей: Костная ткань. Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что 2/3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит ЗСа3(РО4)2 • Са(ОН)2. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами). Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.

Кожа. Она состоит из волокон коллагена и эластина (так же как и коллаген, волокнистый белок) и основной ткани — матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой массы, а эластин — около 4%. Примерные данные по механическим свойствам приведены в табл. Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10%, что соответствует капроновому волокну. Мышцы. В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. У скелетных мышц при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до sост Зависимость s=f(e) для скелетной мышцы нелинейна. Анализ этой зависимости показывает, что примерно до e~ 0,25 в портняжной мышце лягушки механизм деформации обусловлен распрямлением молекул коллагена. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.

23. Линзы, тонкие линзы и их характеристики (фокус, главная оптическая ось, оптическая сила, линейное увеличение). Формула тонкой линзы.

Линза - прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Главная оптическая ось линз - прямая, проходящая через центры сферических поверхностей.

Побочные оптические оси – все прямые, проходящие через оптический центр.

Тонкая линза – линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей. Проходя через линзу, световой луч изменяет направление - отклоняется. Если отклонение происходит в сторону оптической оси, то линза называется собирающей, в противном случае линза называется рассеивающей.

Собирающая линза – это линза которая в средней части толще, чем по краям.

Рассеивающая линза – это линза которая по краям толще, чем в средней части.

Любой луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления лучи собираются на главой оптической оси в точке (F), называемую главным фокусом. Для рассеивающей линзы через фокус проходит продолжение преломленного луча. У каждой линзы имеются два фокуса, расположенные по обе ее стороны. Расстояние от фокуса до центра линзы называется главным фокусным расстоянием (f).

Центрированная оптическая система - система линз и зеркал, оптические центры которых лежат на одной прямой. В расчетных формулах f берется со знаком «+» для собирающей линзы и со знаком «-» для рассеивающей линзы. Величина, обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы: D = 1/f. Единица оптической силы - диоптрия (дптр). 1 дптр - это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Линейное увеличение (Г) – отношение линеных размеров изображения к линейным размерам предмета.

Г=𝐻/ℎ=𝑓/𝑑 Г – увеличение(уменьшение) Н – линейные размеры изображения (м) h- линейные размеры предмета (м) f-расстояние от линзы до изображения(м) d-расстояние от линзы до предмета(м) Формула тонкой линзы: 𝐷=1/𝐹+1/𝑓+1/𝑑 F-фокусное расстояние D-оптическая сила(дптр) f-расстояние от линзы до изображения d-расстояние от линзы до предмета

24. Геометрическая оптика. Законы отражения и преломления света. Волоконная оптика и ее использование в медицинских приборах.

Если часть света возвращается в первоначальную среду, то это явление называют отражением света.

Закон отражения света. Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Угол отражения β равен углу падения α.

Преломление света- (рефракция) – явление изменения направления движения светового луча при переходе через границу раздела двух сред.

Закон преломления света. Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред:

, где n-относительный показатель преломления. Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатели преломления n1,n2 среды относительно вакуума называют абсолютными показателями преломления.

Физический смысл относительного показателя преломления n – это отношение скорости распространения волн в первой среде 1 к скорости их распространения во второй среде 2: Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: Оптически менее плотная среда – среда с меньшим показателем преломления. Оптически более плотная среда – среда с бОльшим показателем преломления. При переходе луча из оптически менее плотной среды более плотную угол уменьшается.

Волоконная оптика. Явление полного внутреннего отражения используется в гибких световодах. Если свет направить на торец тонкого стеклянного волокна, окруженного оболочкой с меньшим показателем преломления угла, то свет будет распространяться по волокну, испытывая полное отражение на границе стекло-оболочки. Такое волокно называется световодом. Изгибы световода не препятствуют прохождению света. В современных световодах потери света весьма малы, что позволяет использовать их в волоконно-оптических системах связи. В медицине жгуты из тонких световодов используют для изготовления эндоскопов, которые применяются для визуального исследования полых внутренних органов. Число волокон в эндоскопе достигает миллиона. С помощью отдельного световодного канала, уложенного в общий жгут, осуществляется передача лазерного излучения с целью лечебного воздействия на внутренние органы.

25. Светопреломляющая и световоспринимающая оптическая система глаза. Ее недостатки и их устранение.

Аккомодация – способность глаза к образованию на сетчатке одинаково резкого изображения различно удаленных предметов за счет изменения кривизны хрусталика.

Предел разрешения глаза – минимальное расстояние между двумя точками предмета, когда они воспринимаются раздельно на расстоянии лучшего зрения.

Расстояние лучшего зрения= 70мкм.

Предельный угол зрения – минимальный угол зрения, при котором 2 точки предмета воспринимаются раздельно.=1’

Расстояние лучшего зрения=25см. При этом хрусталик и стекловидное тело испытывают наименьшее напряжение.

В функциональном отношении глаз можно разделить на два основных отдела: светопреломляющий и световоспринимающий.

Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговицы на границе с воздухом. Соответственно роговица имеет наибольшую из всех преломляющих сред глаза оптическую силу

Лучи света фокусируются оптической системой глаза на особом рецепторном (воспринимающем) аппарате — сетчатой оболочке. Сетчатка глаза — передний край мозга, исключительно сложное как по своей структуре, так и по функциям образование. Лучи света, отраженные от рассматриваемых предметов, проходят через четыре преломляющие поверхности: переднюю и заднюю поверхности роговицы, переднюю и заднюю поверхности хрусталика. В результате в фокусе оптической системы глаза образуется действительное, но перевернутое изображение рассматриваемого предмета.

Для характеристики оптической системы глаза необходимо знать радиусы кривизны передней и задней поверхностей роговицы и хрусталика, толщину роговицы и хрусталика, глубину передней камеры, длину анатомической оси глаза и показатели преломления прозрачных сред глаза. Измерение этих величин (кроме показателей преломления) можно выполнить на живом глазу.

Наиболее распространенными видами аметропии являются близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия). Близорукость - недостаток глаза, состоящий в том, что задний фокус при отсутствии аккомодации лежит впереди сетчатки; в случае дальнозоркости задний фокус при отсутствии аккомодации лежит позади сетчатки. Для коррекции близорукого глаза применяют рассеивающую линзу, дальнозоркого - собирательную. Астигматизм исправляют специальными цилиндрическими линзами.

26. Устройство микроскопа. Полное увеличение, разрешающая способность, предел разрешения (определение, формула), полезное увеличение. Способы уменьшения предела разрешения микроскопа. Специальные приемы микроскопии

Устройство микроскопа: Имеет 2 степени увеличения: объектив и окуляр. Объектив - одна из важнейших частей микроскопа, поскольку он определяет полезное увеличение объекта. Окуляр состоит из 2-3 линз, вмонтированных в металлический цилиндр.

Между линзами расположена постоянная диафрагма, определяющая границы поля зрения. Нижняя линза фокусирует изображение объекта, а верхняя служит непосредственно для наблюдения. Для определения общего увеличения микроскопа следует умножить увеличение объектива на увеличение окуляра. Г =Г(об.)*Г(ок.)

Осветительное устройство состоит из зеркала или электроосветителя, конденсора с ирисовой диафрагмой и светофильтром, расположенных под предметным столиком. Они предназначены для освещения объекта пучком света. Конденсор состоит из 2-3 линз, вставленных в металлический цилиндр. При подъеме или опускании его с помощью специального винта соответственно конденсируется или рассеивается свет, падающий от зеркала на объект. Ирисовая диафрагма расположена между зеркалом и конденсором. Она служит для изменения диаметра светового потока в соответствии с диаметром фронтальной линзы объектива и состоит из тонких металлических пластинок.

Механическая система микроскопа состоит из подставки, коробки с микрометренным механизмом и винтом, тубуса, тубусодержателя, винта грубой наводки, кронштейна конденсора, винта перемещения конденсора, револьвера, предметного столика. Подставка - это основание микроскопа. Тубус или трубка - цилиндр, в который сверху вставляют окуляры. Револьвер предназначен для быстрой смены объективов, которые ввинчиваются в его гнезда. Тубусодержатель несет тубус и револьвер. Предметный столик предназначен для расположения на нем препарата. В его середине имеется круглое отверстие, в которое входит фронтальная линза конденсора. На столике есть две пружинистые клеммы - зажимы, закрепляющие препарат.

Разрешающая способность –способность микроскопа давать раздельное изображение мелких деталей, - минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа: 𝜎=𝜆2𝐴. , где -длина волны, А- числовая апертура.

Полезное увеличение – увеличение, при котором можно выявить новые детали его строения. Г=𝒁′*𝒁 , где Z’- предельное разрешение глаза, Z- предельное разрешение микроскопа.

Полное увеличение микроскопа - отношение угла зрения β', под которым видно изображение предмета в окуляре, к углу зрения β, под которым предмет виден «невооруженным» глазом с расстояния наилучшего зрения.

Предел разрешения микроскопа (Z) – минимальное расстояние между двумя точками предмета, при котором они воспринимаются раздельно. Чем меньше предельное разрешение, тем больше разрешающая способность.

Способы уменьшения предела разрешения микроскопа:

1. Переход к более коротким длинам волн, использование УФ волн. Изображение рассматривается либо на флюоресцирующем экране, либо регистрируется на фотопленке. Микроскопирование в ультрафиолетовых лучах дает возможность увеличить разрешающую способность микроскопа примерно в два раза. Для дальнейшего увеличения разрешающей способности микроскопа, применяют электронные микроскопы, предел разрешения составляет примерно 0,1 нм.

2. Введение иммерсионной среды с бОльшим показателем преломления. Иммерсионная жидкость - жидкость, вводимая между объектом и объективом микроскопа, которая имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления вещества, из которого изготовлена линза.

3. Увеличение апертурного угла.

Специальные приемы микроскопии: измерение размеров малых объектов, микропроекция, микрофотография, метод фазового контраста(служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля, к числу таких объектов относятся, например, живые неокрашенные животные ткани), метод темного поля(применяется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, невидимых при освещении по обычными методами), ультрамикроскопия(Этот метод даёт возможность обнаружить, но не «наблюдать» в буквальном смысле слова, чрезвычайно мелкие частицы, размеры которых лежат далеко за пределами разрешающей способности наиболее сильных микроскопов).

27. Отражение и преломление света. Углы падения, отражения и преломления. Законы отражения и преломления света. Показатель преломления. Полное внутреннее отражение и его применение в медицине. Рефрактометрия, устройство рефрактометра.

Если часть света возвращается в первоначальную среду, то это явление называют отражением света.

Полное внутренне отражение. Рассмотрим переход света из среды c большим показателем преломления n1 (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n2 (оптически менее плотную, например, стекло-воздух. Для стекла показатель преломления n1 = 1,52; для воздуха n2 = 1,00. Возникновение полного внутреннего отражения (n1 > n2) Увеличение угла падения приводит к увеличению угла преломления до тех пор, пока угол преломления не станет равным 90°. При дальнейшем увеличении угла падения падающий луч не преломляется, а полностью отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно наблюдается при падении света из более плотной среды на границу с менее плотной средой и состоит в следующем. Если угол падения превышает предельный для данных сред угол, то преломления на границе раздела не происходит и падающий свет отражается полностью. Предельный угол падения определяется соотношением :

Сумма интенсивностей отраженного и преломленного лучей равна интенсивности падающего луча. При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча растет, а интенсивность преломленного луча убывает и для предельного угла падения становится равной нулю.

Рефрактометрия — это метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления и некоторых его функций.

Принцип действия рефрактометров базируется на использовании явления полного внутреннего отражения света в оптической призме, находящейся в контакте с жидкостью.
Свет от источника вводится в оптическую призму и падает на ее внутреннюю поверхность, контактирующую с исследуемым раствором. Световые лучи попадают на границу раздела призмы и раствора под различными углами. Часть лучей, угол падения которых больше критического, полностью отражаются от внутренней поверхности призмы и, выходя из нее, формируют светлую часть изображения на фотоприемнике. Часть лучей, угол падения которых меньше критического, частично преломляются и проходят в раствор, а частично отражаются и формируют темную часть изображения на фотоприемнике.
Положение границы раздела между светом и тенью зависит от соотношения коэффициентов преломления материала оптической призмы и исследуемого раствора, а также длины волны излучения источника света. Поскольку оптические характеристики призмы и длина волны источника постоянны, то по положению границы раздела света и тени на фотоприемнике можно однозначно определить коэффициент преломления или оптическую плотность исследуемого раствора.

28. Поляризация света. Свет естественный и поляризованный. Оптически активные вещества. Измерение концентрации раствора по углу поворота плоскости поляризации (поляриметрия).

Свет – электромагнитная волна, воспринимаемая человеческим глазом. Интервал длин волн (-7,6)*10−7м

Естественный свет - это свет, в котором колебания вектора напряженности Е электрического поля происходят по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (к лучу)

Частично поляризованный свет – свет, в котором вектор Е может совершать колебания в разных направлениях, но одно направление является преимущественным.

Поляризованный свет - световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении.

Поляризацией света - выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора. Говорит о том, что при прохождении плоско-поляризующего фильтра интенсивность плоско-поляризованного света падает пропорционально квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации входящего света и фильтра. Iест - интенсивность падающего на поляризатор света, Ι — интенсивность света, выходящего из поляризатора

Поляризатор – это устройство, преобразующее естественный свет в плоско поляризованный. Анализатор – это устройство, служащие для анализа степени поляризации света.

Поляриметрия — методы физических исследований, основанные на измерении степени поляризации света и угла поворота плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества.

Поляриметрический метод анализа основан на способности веществ отклонять плоскость поляризации при прохождении через них поляризованного света.

Вещества, отклоняющие плоскость поляризации света вправо или влево, называются оптически активными.

29. Особенности излучения и поглощения энергии атомами и молекулами. Спектры (излучения и поглощения) атомарные, молекулярные и спектры кристаллов. Спектрометрия и ее применение в медицине.

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают 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 переходами электронов.

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах - поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию.

Различают два типа квантовых переходов: 1)без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой 2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы: hv=El-Ek. Данная формула выражает закон сохранения энергии.

Различают два вида излучения. Спонтанное излучение-возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень. Вынужденное, индуцированное излучение-возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения. Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода.

Спектры являются источником различной информации. По виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих атомов. При этом сравнительно легко находят примеси в концентрациях и устанавливают состав образцов очень малой массы. По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения.

По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

*Молекулярные спектры — спектры излучения (поглощения), возникающие при квантовых переходах между уровнями энергии молекул.

*Атомные спектры - спектры поглощения и испускания свободных или слабо взаимодействующих атомов, возникающие при излучательных квантовых переходах между их уровнями энергии.

*Спектры кристаллов- спектры поглощения или излучения, обусловленные квантовыми переходами между уровнями энергии кристалла.

Широкое применение получил спектральный анализ в медицине. Его используют для определения инородных веществ в организме человека, диагностирования, определения минерального состава тела

30. Поглощение света атомами и молекулами. Закон Бугера. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Оптические характеристики вещества. Измерение концентрации раствора по оптической плотности.

Поглощение света-это ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

- закон поглощения света Бугера. Io- интенсивность монохроматического света, падающего на поверхность вещества; I- интенсивность света, прошедшего через слой толщиной l, k-показатель поглощения

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА Растворами.

Закон Бугера-Ламберта-Бера: при прохождении светового потока через поглощающий раствор интенсивность прошедшего светового потока (I) отличается от интенсивности падающего светового потока (I_o) на поглощение света раствором. D=E*L*C, где Е- молярный коэффициент поглощения, L- толщина светопоглощающего слоя, С- концентрация

Поглощение света растворами происходит за счет его взаимодействия как с молекулами растворителя, так и с молекулами растворенного вещества. Закон Бугера-Ламберта-Бера описывает ослабление света в растворе в зависимости от его концентрации и толщины поглощающего слоя и перестает выполняться, когда интенсивность падающего света очень высока (лазерное излучение).

Оптические характеристики вещества.

Коэффициент пропускания - отношение интенсивности света, прошедшего сквозь данное тело или раствор к интенсивности света, падающего на тело: t = F / Fo Значение коэффициента пропускания тела зависит от свойств самого тела, угла падения, спектрального состава и поляризации излучения.

Десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания, называют оптической плотностью раствора: D = lg(F0/F) Оптическая плотность - мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F, ослабленного в результате поглощения и рассеяния

Фотоэлектроколориметрия - определение концентрации вещества в растворе по изменению силы тока в фотоэлементе при падении на него луча света, прошедшего через исследуемый раствор.

Для определения применяются фотоэлектроколориметры.

Принцип работы ФЭК следующий. Световой поток проходит через окрашенную жидкость, частично поглощается. Остальная часть светового потока попадает на фотоэлемент, в котором возникает электрический ток, регистрирующийся при помощи амперметра. К прибору прилагаются наборы кювет. Кюветы бывают различных размеров и подбираются исходя из интенсивности окрашенного раствора. Проходя через кюветы с раствором, лучи света попадают на фотоэлементы. Для того чтобы проводить на ФЭКе определение количества вещества, крайне важно составить градуировочную кривую, которая показывает зависимость оптической плотности раствора D от количества вещества С. По градуировочной кривой в дальнейшем определяют концентрацию вещества в исследуемом растворе.

31. Индуцированное излучение. Его источники. Устройство и принцип работы твердотельных, газовых, полупроводниковых и жидкостных лазеров и их применение в медицине

Вынужденное излучение, индуцированное излучение - генерация нового фотона при переходе квантовой системы из возбуждённого в стабильное состояние под воздействием индуцирующего фотона. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон. Оба фотона являются когерентными.

Лазер - источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Каждая лазерная система состоит из активной среды, помещенной между парой оптически параллельных зеркал, и источника энергии для ее накачки. В качестве среды усиления может выступать твердое тело, жидкость или газ. Вещество помещается между парой зеркал так, что свет, отражающийся в них, каждый раз проходит через него и проникает сквозь полупрозрачное зеркало.

Твердотельный лазер. Принцип действия основан на использовании активной среды, которая образуется путем добавления в изолирующую кристаллическую решетку металла переходной группы, редкоземельных ионов и актиноидов. Физические свойства базового материала, такие как теплопроводность и тепловое расширение, имеют важное значение для эффективной работы лазера. Принцип действия полупроводникового лазера основан на использовании диода с p-n-переходом, который производит свет определенной длины волны путем рекомбинации носителя при положительном смещении.

Газовый ла́зер — лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в газообразном состоянии. К достоинствам газовых лазеров можно отнести дешевизну и легкость эксплуатации мощных лазеров.

Электроны, соударяясь с атомами газа, переводят их в возбуждённое состояние с последующим излучением фотонов. Благодаря актам вынужденного испускания световые волны, созданные в трубке, усиливаются при прохождении через газовую плазму. Оптический резонатор (два точно выставленных зеркала на торцах трубки) задаёт преимущественное направление излучения. Часть потока фотонов отбирается из лазера через одно из зеркал, сделанное полупрозрачным. Другая часть отражается обратно внутрь лазера для поддержания вынужденного излучения.

Жидкостные лазеры Принцип действия лазера состоит в использовании в качестве активной среды органических красителей, растворенных в надлежащем растворителе. Раствор молекул красителя возбуждается излучением, длина волны которого обладает хорошим коэффициентом поглощения.

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник.

32.Механические колебания (свободные: незатухающие и затухающие, вынужденные, автоколебания). Их характеристики и математическоеописание.

Механические колебания – это движения тел, повторяющиеся точно (или приблизительно) через одинаковые промежутки времени.

Свободные колебания — колебания в системе под действием внутренних тел, после того как система выведена из положения равновесия.

НЕЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ — колебания, амплитуда которых не убывает со временем, а остается постоянной.

Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени под действием внешних сил.

Вынужденные колебания — колебания тел под действием внешних периодически изменяющихся сил.

Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными (сердце, легкие), а процесс незатухающих колебаний в таких системах – автоколебаниями.

Характеристики: - период Т (время одного полного колебания (с)); частота υ (число колебаний в единицу времени. Υ=1/Т (Гц\с-1)); круговая или циклическая частота Ѡ (число колебаний за промежуток времени 2π секунд); амплитуда (наибольшее отклонение колеблющейся величины от положения равновесия); - фаза (величина, определяющая отклонение колеблющейся величины в данный момент времени).

33. Механические волны. Уравнение волны. Поток энергии волны. Эффект Доплера и его применение в медицине.

Механическая волна - механическое возмущение, распространяющееся в пространстве и несущее энергию.

Для возникновения механической волны нужно: наличие упругой среды (в вакууме мех.волны не распространяются) и наличие источника колебаний (деформации среды).

Механические волны бывают: продольные (волны, в которых направление колебаний частиц x совпадает с направлением распространения волны; распространяются в газах, жидкостях и твердых телах) и поперечные (это такие волны, в которых направление колебаний частиц перпендикулярно направлению распространения волны; распространяются только в твердых средах).

Уравнение волны: y(t,x)=A*cos(wt-kx), где A-амплитуда, k– так называемое волновое число, ω – круговая частота.

Поток энергии волны равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность ко времени, в течение которого эта энергия перенесена: Ф=dE/dt (Bт). Единица измерения потока энергии совпадает с единицей мощности Дж/ с = Вт.

Эффект Доплера состоит в изменении частоты волн, воспринимаемых некоторым приемником (наблюдателем) в зависимости от относительной скорости движения источника волн и наблюдателя.

Vи - скорость источника; vп-скорость приемника; v-конечная скорость; vо-начальная скорость.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца и других органов; в ударно-волновой терапии; в косметологических процедурах.

34. Звук. Инфразвук. Физические характеристики звука и звуковые ощущения. Закон Вебера-Фехнера. Аудиометрия.

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде.

Звук – механические колебания и волны с частотой от 16 Гц до 20000 Гц, т.е. волны, воспринимаемые человеческим ухом. Звук распространяется только в среде, при этом скорость звука в газах – наименьшая, в твердых телах – наибольшая.

Виды:

1) Тон – звук, являющийся периодическим процессом;

2) Чистый тон – гармонически процесс (звук, издаваемый камертоном);

3) Сложный тон - периодический, но негармонический процесс, (гласные звуки речи, звуки музыкальных инструментов);

4) Шум – звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью;

5) Звуковой удар кратковременное звуковое воздействие.

Физические характеристики звука

1. Частота – число колебаний в единицу времени.

2. Акустический спектр – совокупность частот выделенных волн с указанием их амплитуд (относительной интенсивности).

3. Интенсивность (I)– энергия, переносимая волной через единичную за единицу времени.

4. Звуковое давление (p) – давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде.

Звуковые ощущения:

*Тональность (частота) звука. Человек воспринимает звуковые колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. Этот диапазон соответствует 10–11 октавам. Верхняя граница частоты воспринимаемых звуков зависит от возраста: она постепенно понижается (в старости часто не слышат высоких тонов). Различение частоты звука характеризуется тем минимальным различием по частоте двух близких звуков, которое ещё улавливается человеком. При низких и средних частотах человек способен заметить различия в 1–2 Гц. Встречаются люди с абсолютным слухом: они способны точно узнавать и обозначать любой звук даже при отсутствии звука сравнения.

*Слуховая чувствительность. Минимальную силу звука, слышимого человеком в половине случаев его предъявления, называют абсолютным порогом слуховой чувствительности. Пороги слышимости сильно зависят от частоты звука. В области частот от 1000 до 4000 Гц слух человека максимально чувствителен. В этих пределах слышен звук, имеющий ничтожную энергию. При звуках ниже 1000 и выше 4000 Гц чувствительность резко уменьшается: например при 20 и при 20 000 Гц пороговая энергия звука в 1 млн раз выше (нижняя кривая AEFGD на рис. 4.8). При усилении звука можно дойти до возникновения неприятного ощущения давления и даже боли в ухе. Звуки такой силы характеризуют верхний предел слышимости (кривая ABCD на рис. 4.8) и ограничивают область нормального слухового восприятия. Внутри этой области лежат и так называемые речевые поля, в пределах которых распределяются звуки речи.

*Громкость звука. Кажущуюся громкость звука следует отличать от его физической силы. Ощущение громкости не идёт строго параллельно нарастанию интенсивности звучания. Единицей громкости звука является бел.Эта единица представляет собой десятичный логарифм отношения действующей интенсивности звука I к пороговой его интенсивности I0. На практике обычно используется в качестве единицы громкости децибел (дБ), т.е. 0,1 бела.

Дифференциальный порог по громкости в среднем диапазоне слышимых частот (1000 Гц) составляет всего 0,59 дБ, а на краях шкалы частот доходит до 3 дБ. Максимальный уровень громкости звука, вызывающий болевое ощущение, равен 130–140 дБ над порогом слышимости человека. Громкие и длительные звуки (например, рок-музыка, рёв реактивного двигателя) приводят к поражению рецепторных клеток и к снижению слуха.

Закон Вебера-Фехнера: Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения увеличивается в арифметической прогрессии, то есть величина ощущения увеличивается медленнее, чем сила раздражителя. Математическая запись закона Вебера-Фехнера: L=K*lg𝐼/𝐼o+C где k- коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности, Iо – порог слышимости на соответствующей частоте, L-уровень ощущения.

Можно определить уровень громкости в фонах Eфон=10klg𝐼𝐼𝑛.

Инфразву́к — звуковые волны, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. Верхняя граница 16 Гц. Нижняя граница 0,001 Гц. Инфразвук подчиняется общим закономерностям, характерным для звуковых волн.

Аудиометрия– метод измерения остроты слуха. При этом использую прибор – аудиометр, который позволяет измерить порог слышимости на различных частотах. Аудиограмма – график зависимости порога слышимости от частоты. Принцип работы тонального аудиометра заключается в определении порога слышимости синусоидальных тонов в диапазоне 125-8000 Гц. Для установления степени снижения слуха сравнивают аудиограмму, полученную на аудиометре, с нулевым порогом. В ходе исследования определяют, с тона какой частоты человек начинает слышать звук.

35. Ультразвук. Источники и приемники ультразвука. Применение ультразвука в медицине.

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами от 20 кГц и до 1 ГГц. Область частот ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые частоты делят на три диапазона:

• УНЧ - ультразвук низких частот (20-100 кГц);

• УСЧ - ультразвук средних частот (0,1-10 МГц);

• УЗВЧ - ультразвук высоких частот (10-1000 МГц).

Приемники ультразвука Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта(сжатие и растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов соответствующего знака). В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины, в результате которых на электродах возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой.

Излучатели ультразвука. Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта (в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается).

Области применения ультразвука в медицине. Для выявления заболеваний органов брюшной полости и почек, органов малого таза и тд, в акушерской и педиатрической практике. Недоступными для данного метода являются органы, содержащие воздух и костные ткани.

Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

36. Ионизирующее излучение и его виды. Рентгеновское излучение: характеристическое и тормозное. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Защита от излучения. Применение рентгеновского излучения в медицине.

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы – ионы.

Виды:

*Альфа-излучение. В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья, поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

*Бета-излучение. Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи – они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

* Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). После радиоактивного распада атомное ядро конечного продукта часто оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием гамма-квантов. Таким образом, γ-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой довольно жесткое электромагнитное излучение с длиной волны 10^-8–10^-11нм. Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 𝟏𝟎−𝟓нм.

1. Тормозное. Падающие на мишень электроны испытывают внутри нее торможение в поле атомных ядер. Торможение – процесс движения с отрицательным ускорением, но ускоренно движущиеся заряды излучают в окружающее пространство электромагнитные волны. Электроны теряют часть энергии в виде электромагнитного излучения. Оно и представляет собой тормозное рентгеновское излучение. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода.

2. Характеристическое излучение. При постепенном повышении напряжения, на фоне непрерывного спектра можно наблюдать появление острых максимумов. Длины волн, соответствующие этим максимумы, не зависят от величины напряжения и определяются только материалами мишени. С увеличением напряжения интенсивность пиков возрастает, но их положение в спектре не меняется. Следовательно, излучение, с указанными длинами волн, свойственно непосредственно материалу мишени и характеризует его, поэтому называется характеристическим. Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов. В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр.

Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить

Первичные физические механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Малая длина волны рентгеновских лучей (большая ν) обуславливает высокую проникающую способность и своеобразные закономерности их поглощения. При попадании на вещество, оно частично отражается, но в основном проходит в глубь массы тела, где взаимодействуя с электронами атомов вещества, поглощается и рассеивается, частично может проходить насквозь. При попадании внутрь вещества возможны следующие процессы: когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект, вероятность которых зависит как от зарядов ядер, с которыми взаимодействуют, так и от энергии квантов. Более жесткая часть излучения может проходить через вещество без взаимодействия.

1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.

2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения. Атом, который теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта является интенсивная ионизация вещества.

3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром. Высокоэнергетический фотон передает электрону некоторую часть своей энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома. Оставшаяся часть энергии первоначального фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения большей длины волны под некоторым углом к направлению движения первичного фотона. Вторичный фотон может ионизировать другой атом и т.д. Эти изменения направления и длины волны рентгеновских лучей известны как эффект Комптона.

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 345; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!