Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Биоэлектричество Биопотенциалы. Луиджи Гальвани 1791 г. в эксперименте показал, что живые ткани содержат «животное электричество», его научный оппонент, физик Вольта показал, что это электричество от разнородных металлов, он создал первый источник постоянного тока, который носит название гальванический элемент. Виды биопотенциалов: 1. Биопотенциал покоя (мембранный). 2. Биопотенциал действия (возбуждения). 1. Биопотенциал покоя — это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны клетки в покое. Наружная поверхность мембраны клетки имеет положительный заряд, а внутренняя имеет отрицательный заряд. Биопотенциал покоя регистрируется внутриклеточным методом, т.е. с помощью микроэлектродов, один из которых вводится внутрь клетки. В эксперименте биопотенциал покоя можно зарегистрировать между повреждённым и неповреждённым участком ткани. Поврежденный участок является моделью внутренней поверхности мембраны клетки. Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через М. б. Главным их отличием является то, что активный транспорт сопровождается затратами химической энергии, гл. обр. за счет гидролиза АТФ, а пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется в результате диффузии веществ по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Пассивный транспорт осуществляется путем простой или облегченной (с участием переносчиков) диффузии через липидный бислой (многие яды, лекарственные препараты, кислород и углекислый газ, сахара, аминокислоты и азотистые основания), а также через заполненные водой поры и каналы (вода и ионы). В М. б. различного происхождения обнаружены системы активного транспорта ионов натрия, калия, кальция, водорода и др. Наиболее изучен натриевый насос - система, перекачивающая натрий из клетки и калий в клетку против электрохимического градиента. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса - Na+ -К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. Система активного транспорта кальция имеет много общего с натриевым насосом, но в этом случае его основным компонентом является фермент кальций-зависимая АТФ-аза. Механизмы транспорта различных веществ, воды и ионов через клеточные мембраны действуют и в случае их транспорта не через одиночную мембрану, а через слой клеток, напр, через эпителий ряда органов (кишечник, почка, легкие). В условиях функционирования клетки, как правило, трудно вычленить в чистом виде тот или иной механизм транспорта. Обычно имеет место их различная комбинация. Путем активного транспорта в сочетании с пассивным осуществляются такие процессы, как всасывание Сахаров из просвета кишечника клетками эпителия, транспорт воды и ионов натрия в почечных канальцах и др. Эффективность этих процессов очень высока. Уравнение Нернста — уравнение связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными потенциалами окислительно-восстановительных пар. , где R— универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K); T— абсолютная температура; F — число Фарадея, равное 96485,35 Кл/моль; n— число молей электронов, участвующих в процессе; и активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции. Если в формулу Нернста подставить числовые значения констант R и F и перейти от натуральных логарифмов к десятичным, то при T = 298K получим: Уравнение Голдмана-Ходжкина - одна из концептуальных физико-химических моделей, описывающих механизмы существования электромагнитных явлений в живой ткани. Непосредственным источником электромагнитной энергии в любой клетке организма является динамический концентрационный элемент, образованный цитоплазматической мембраной и растворами ионов, которые неравновесно распределены между цитоплазмой и межклеточной жидкостью. Цитоплазматическая мембрана обладает неодинаковой проницаемостью для катионов и анионов и может изменяться в зависимости от разных причин. Процессы электрогенеза, протекающие на мембране являются стохастическими процессами.Математической моделью, аналогичной модели Нернста, но описывающей механизмы электрогенеза с учетом наличия многих электролитов, является модель Гольдмана-Ходжкина-Катца: ЭДС=(RT:F)·ln((pК1CК1e+pК2CК2e+…+pA1CA1i…):(pК1CК1i+pК2CК2i+…+pA1CA1e…)). Здесь, как и в модели Нернста: R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура растворов, F - число Фарадея, CK1 - концентрация катиона 1 (например, калия), CK2 - концентрация катиона 2 (например, натрия), CA1 - концентрация аниона 1 (например, хлора), pK - проницаемость мембраны для катиона, pA - проницаемость мембраны для аниона, индексы при символах CK1,…, CA1: i - на внутренней поверхности мембраны, e - на наружной поверхности мембраны. Потенциа́л де́йствия, разновидность биопотенциала, возникающего на мембране электровозбудимых клеток в ответ на раздражение электрическим полем, химическим или другим стимулом. При этом мембрана возбудимой клетки способна увеличивать свою проницаемость к ионам натрия, калия, кальция.Генерация потенциала действия имеет двухфазную циклическую природу. В первой фазе возбуждения происходит реверсия (изменение знака) электрического заряда на мембране — потенциал сдвигается от обычно имеющегося в покое уровня порядка -50 — -90 мВ, до +20 — +40 мВ. Во второй фазе происходит восстановление исходного состояния мембраны, то есть и заряд, и потенциал на мембране быстро возвращаются к исходным значениям, характерным для состояния покоя клетки.Уникальным свойством потенциала действия является тот факт, что, возникая в одной точке на мембране возбудимой клетки, он способен без затухания в виде бегущей волны распространяться по всей поверхности клетки, включая ее отростки. Потенциал действия, распространяющийся от тела нервной клетки по ее длинному отростку — аксону — носит название нервного импульса.Потенциал действия и колебания потенциала покоя лежат в основе возбуждения и торможения у животных и человека и раздражимости у растений. Изменения амплитуды и длительности потенциала действия могут носить как функциональный, так и патологический характер. Исследования суммарных потенциалов действия клеток и органов применяют с диагностическими целями (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография). Временные и амплитудные х-ки.Переходная и импульсная переходная характеристики называются временными характеристиками. Каждая из них является исчерпывающей характеристиками системы и любого ее звена при нулевых начальных условиях. По ним можно однозначно определить выходную величину при произвольном входном воздействии.импульсной переходной характеристике, которая описывает реакцию системы на единичное импульсное воздействие при нулевых начальных условиях, обозначают t. Амплитудная характеристика - зависимость амплитуды Авых сигнала на выходе устройства от амплитуды Авх на его входе. Обычно определяется при гармоническом входном сигнале и используется для оценки линейности устройств. При достаточно малом Aвх амплитудная характеристика большинства устройств линейна, а коэффициент передачи постоянен. Возможность распространения нервных импульсов по нервным волокнам определяется их строением, напоминающим строение электрического кабеля, где роль проводника играют аксоны, а роль изолятора — миелиновая оболочка аксона, представляющая собой мембрану шванновской клетки, намотанную на аксон в несколько слоев. Основной компонент миелиновой оболочки — липопротеид миелин, обладающий свойствами диэлектрика. Скорость распространения нервных импульсов зависит как от диаметра нервных волокон (чем толще волокно, тем выше скорость), так и от степени их электрической изоляции, так как покрытые миелином волокна при прочих равных условиях быстрее проводят нервные импульсы. Миелиновая оболочка покрывает волокно не непрерывно по всей его длине, а образует подобие изолирующих керамических «муфт», плотно нанизанных на аксон, как на стержень электрического кабеля. Между соседними «муфтами» из миелина остаются лишь небольшие электрически неизолированные участки, через которые ионный ток может легко вытекать из аксона в наружную среду и обратно, раздражая мембрану и вызывая генерацию потенциала действия исключительно в неизолированных участках аксона, получивших название перехватов Ранвье. Нервный импульс распространяется по миелинизированному нервному волокну скачками — от одного перехвата Ранвье до следующего, что значительно повышает скорость распространения возбуждения от клетки к клетке. Скорость распространения нервного импульса по толстым миелинизированным волокнам (диаметром 10-20 микрон) у человека достигает 70-120 м/сек, а по самым тонким немиелинизированным нервным волокнам — на два порядка ниже (менее 2 м/сек). Тканевые биоэлектрические потенциалы — электрические потенциалы, возникающие в живых клетках и тканях; показатель биоэлектрической активности, определяемой разностью электрических потенциалов между двумя точками живой ткани.виды Б. п. различных органов и тканей (рецепторные, секреторные, потенциалы сердца, головного мозга и др.) являются аналогами или производными мембранного потенциала (или потенциал покоя), потенциал действия, постсинаптические потенциалы.Исследование Б. п. имеет большое значение для понимания физико-химических и физиологических процессов в живых системах и применяется в клинике с диагностической целью (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и др.).Поскольку клетки или ткани организма имеют электрические полярности, они создают вокруг себя электрические поля. электрограмма (электро- + греч. gramma запись) кривая, отражающая изменение во времени потенциалов электрического поля сердца, регистрируемая с помощью электродов, вводимых по кровеносным сосудам в полости сердца.Электрографический метод - метод регистрации и анализа биоэлектрических процессов человека и животных--нашел весьма широкое применение в клинической практике, физиологическом эксперименте, авиационной и космической медицине, исследованиях по физиологии труда и спорта. он позволяет получить ценную информацию о нормальной или патологической деятельности тканей, органов и систем. Большим достоинством электрографического метода при использовании в клинике является его безболезненность. Механизмы распр. Возбуждения в тк.Современные представления о природе биоэлектрических явлений в тканях базируются на результатах работ Алана Ходжкина, Эндрью Хаксли, Бернарда Катца. Эти ученые в 40-50 годах нашего века модифицировали и экспериментально обосновали мембранно-ионную теорию Ю. Бернштейна. В настоящее время их взгляды о природе биоэлектрических явлений пользуются всеобщим признанием. Согласно их представлениям, наличие электрических потенциалов в живых клетках обусловлено различной концентрацией ионов Na+, K+, Ca2+ и Cl- внутри и вне клетки, а также различной проницаемостью для них клеточной мембраны. За разработку теории ионного механизма возбуждения эти авторы были удостоены звания лауреатов Нобелевской премии. Электрическая активность сердца Сердечная мышца — миокард, подобно нервной ткани и скелетным мышцам, относится к возбудимым тканям, т. е. к тканям, способным к возбуждению. Волокна миокарда обладают потенциалом покоя (ПП); в ответ на электрический сигнал, стимул, они генерируют потенциал действия (ПД) и способны проводить эти потенциалы без затухания. Мышечная ткань предсердий и желудочков ведет себя подобно синцитию: возбуждение, возникшее в предсердиях или в желудочках, охватывает все невозбужденные волокна. Благодаря этому сердце подчиняется закону «все или ничего», т. е. на раздражение оно либо отвечает возбуждением и сокращением всех волокон предсердий или желудочков, либо вовсе не реагирует. Ритмические сокращения сердца возникают под действием импульсов, зарождающихся в нем самом. Это свойство сердца называется автоматизмом. Сердечный автоматизм создается импульсами, которые генерируются специализированными клетками водителя ритма и проводящей системы. Электрические импульсы, в нормальных условиях вызывающие сокращения сердца, возникают в синоатриалъном (СА) узле, который является водителем ритма для всего сердца. Из СА-узла импульсы распространяются по миокарду предсердий и через атриовентрикулярный (АВ) узел — по желудочкам. Треугольник Эйнтховена Согласно представлениям Эйнтховена, туловище является сферическим телом, в центре которого находится электрический диполь. Области, с которых регистрируются разности потенциалов, представляет собой равносторонний треугольник, стоящий на вершине. Плоскость треугольника располагается во фронтальной плоскости, диполь находится в его центре. Электрокардиограммы от конечностей можно принимать за проекцию разности потенциалов на стороны треугольника. Однако ввиду того, что сердце является трехмерным органом, вектор результирующего потенциала не направлен строго параллельно фронтальной плоскости. Таким образом фронтальная проекция вектора меньше чем фактический размер результирующей разности потенциалов. Эта проекция представляет размеры манифестной, т.е. проявляющейся, а не актуальной разности потенциалов в определенный момент сердечного цикла Стандартные отведения Стандартные двухполюсные отведения, предложенные в 1913 г. Эйнтховеном, фиксируют разность потенциалов между двумя точками электрического поля, удаленными от сердца и расположенными во фронтальной плоскости - на конечностях. Для записи этих отведений электроды накладывают на правой руке (красная маркировка), левой руке (желтая маркировка) и на левой ноге (зеленая маркировка). Эти электроды попарно подключаются к электрокардиографу для регистрации каждого из трех стандартных отведений. Четвертый электрод устанавливается на правую ногу для подключения заземляющего провода (черная маркировка). Стандартные отведения от конечностей регистрируют при следующем попарном подключении электродов I отведение - левая рука (+) и правая рука (-); II отведение - левая рука (+) и правая рука (-); III отведение - левая нога (+) и левая рука (-). Знаками (+) и (-) здесь обозначено соответствующее подключение электродов к положительному или отрицательному полюсам гальванометра, т. е. указаны положительный и отрицательный полюс каждого отведения. Электрокардиограмма (ЭКГ) – один из самых распространенных и эффективных методов диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, основанный на анализе кривой – результата фиксации электрических напряжений в мышце работающего сердца. Для регистрации электрокардиограммы используются специальные приборы – элетрокадиографы различных видов. Обычно этот аппарат представляет собой стандартный блок, с помощью которого производится прием сигналов ЭКГ через кабель отведений (электроды накладывают на грудную клетку, конечности больного), эти сигналы сохраняются в памяти, а также отображаются на индикаторе, фиксируются на бумаге – отображается кривая, отражающая изменения во времени разности потенциалов электрического поля (биопотенциалов) сердца при его сокращениях. ЭКГ является ценным диагностическим инструментом. По ней можно оценить источник (так называемый водитель) ритма, регулярность сердечных сокращений, их частоту. Все это имеет большое значение для диагностики различных аритмий. По продолжительности различных интервалов и зубцов ЭКГ можно судить об изменениях сердечной проводимости. Изменения конечной части желудочкового комплекса позволяют врачу определить наличие или отсутствие ишемических изменений в сердце. Важным показателем ЭКГ является амплитуда зубцов. Увеличение ее говорит о гипертрофии соответствующих отделов сердца, которая наблюдается при некоторых заболеваниях сердца и при гипертонической болезни. Параметры ЭКГ.Для определения параметров ЭКГобычно используют второе стандартное отведение.Под параметрами ЭКГ, как правило, понимают вычисленные временные и амплитудные значения пиков. Параметры нормальной ЭКГ.В медицинских источниках есть сведения о параметрах ЭКГ здорового человека. Обычно эти данные являются отправной точкой при анализе исследуемой электрокардиограммы. Параметры ЭКГ в норме Элементы Продолжительность, с Амплитуда, мм Зубцы P 0,06-0,1 0,05-2,5 Q <0,03 <¼ R R 0,03-0,04 <8 (в I, II), <25 (в V1) Электропроводность тк. Орг.Основными проводниками электрического тока в организме являются ткани с высоким содержанием воды и растворёнными в ней электролитами.Жировые и костные ткани имеют существенно более низкую электропроводность. Различия удельного сопротивления объясняются прежде всего разным содержанием жидкости и электролитов в органах и тканях. Э. биологических тканей зависит от частоты проходящего тока и формы его колебаний. Удельное сопротивление и ёмкость мембраны клетки составляют величины порядка 1 ком·см2 и 1 мкф/см2 (соответственно). Некоторые биологические ткани способны отвечать Возбуждением на проходящий ток; в этом случае их Э. нелинейно зависит от амплитуды тока. Если возбуждения не возникает, то токи распространяются в ткани в соответствии с импедансом её компонентов. Клеточные мембраны представляют относительно большое сопротивление для токов низкой частоты (? 1 кгц), поэтому их основная часть проходит по межклеточным щелям. 3.Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление и емкость. Поляриз. Эффекты пост.тока. Живая ткань обладает электровозбудимостью, т. е. свойством подвергаться изменениям под влиянием электрического тока. В основе возбуждения лежит сложный физико-химический процесс, обусловленный нарушением равновесия ионов и изменением степени набухания оболочек нерва и его волокон. Состояние возбуждения в нерве или мышцах проявляется токами действия. В основе биологического действия постоянного гальванического тока лежат процессы электролиза, изменения концентрации ионов в клетках и тканях и поляризационные процессы. Они обусловливают раздражение нервных рецепторов и возникновение рефлекторных реакций местного и общего характера. В развитии ответных реакций существенную роль играют сила тока, длительность воздействия, полярность активного электрода, а также исходное функциональное состояние органов и систем организма. При прохождении тока по нерву меняется возбудимость последнего. У катода возникает повышенная возбудимость к раздражителям, у анода — пониженная. Закон Ома для биообъектов. Если ток является синусоидальным с циклической частотой ω, а цепь содержит не только активные, но и реактивные компоненты (ёмкости, индуктивности), то закон Ома обобщается; величины, входящие в него, становятся комплексными: где: U = U0eiωt — напряжение или разность потенциалов, I — сила тока, Z = Re—iδ — комплексное сопротивление (импеданс), R = (Ra²+Rr²)1/2 — полное сопротивление, Rr = ωL — 1/ωC — реактивное сопротивление (разность индуктивного и емкостного), Rа — активное (омическое) сопротивление, не зависящее от частоты, δ = —arctg Rr/Ra — сдвиг фаз между напряжением и силой тока. Закон Ома для электролитов. Это выражение называют законом Ома в дифференциальной форме. Величина называется коэффициентом электропроводности или просто электропроводностью данного проводника, а коэффициент пропорциональности между средней скоростью направленного движения зарядов avn и напряженностью приложенного электрического поля Е называют подвижностью носителей тока. Смысл закона Ома заключается в том, что средняя скорость направленного движения носителей тока пропорциональна напряженности электрического поля, т.е. пропорциональна действующей на частицы силе. Закон Ома выполняется для металлов, полупроводников, электролитов, т.е. для тех веществ, в которых носители тока испытывают большое число соударений. Электропроводность биолог. Электролитов. Биологическая ткань состоит из клеток и межклеточного пространства, заполненного веществом — электролитом с удельным сопротивлением около 100 ом·см. Внутреннее содержимое клетки отделено от межклеточного пространства мембраной, эквивалентная электрическая схема которой представляет собой параллельное соединение сопротивления и ёмкости. Поэтому Э. биологических тканей зависит от частоты проходящего тока и формы его колебаний. Некоторые биологические ткани способны отвечать Возбуждением на проходящий ток; в этом случае их Э. нелинейно зависит от амплитуды тока. Если возбуждения не возникает, то токи распространяются в ткани в соответствии с импедансом её компонентов. Клеточные мембраны представляют относительно большое сопротивление для токов низкой частоты, поэтому их основная часть проходит по межклеточным щелям. Импеданс. Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом. Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается Z и вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее значение: здесь: Z - импеданс последовательной цепи, R - активное сопротивление, XL – индуктивное и XC – ёмкостное сопротивление, L - индуктивность катушки (генри), C - ёмкость конденсатора (фарад). Импеданс живой ткани можно рассматривать как для последовательного, так и для параллельного соединения её элементов. При параллельном соединении напряжения фомула импеданса будет следующей: Теоретические формулы импеданса живой ткани при параллельном и последовательном соединении её элементов от экспериментальных отличаются следующим: 1.При последовательной схеме соединения практические данные дают большие отклонения на низких частотах. 2.При параллельной схеме эти измерения показывают конечное значение Z, хотя теоретически оно должно стремиться к нулю. Дисперсия электрич. импеданса -это явление зависимости полного (удельного) сопротивления живой ткани от частоты переменного тока. Графики такой зависимости называют дисперсионными кривыми. Дисперсионные кривые строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения полного (Z) или удельного сопротивления, а по горизонтали - частоту в логарифмическом масштабе (Lg n). Частотные зависимости по форме кривой для разных тканей сходный, но отличается значением сопротивления. Имеется несколько диапазонов частот, на которых дисперсия особенно выражена. Один из них соответствует интервалу 102 -106 ГцОсобенности дисперсии: 1. Присуща только живым тканям. 2. Более выражена на частотах до 1 МГц. 3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности тканей. ЭМФ в медицине Постоянный ток, действие на биолог. Тк.. При сравнительно большой продолжительности действия подпорогового тока изменяется не только мембранный потенциал, но и значение критического потенциала. При этом под катодом происходит смещение уровня критического потенциала вверх, что свидетельствует об инактивации натриевых каналов. Таким образом, возбудимость под катодом уменьшается при длительном воздействии подпорогового тока. Это явление уменьшения возбудимости при длительном действии подпорогового раздражителя называется аккомодацией. При этом в исследуемых клетках возникают аномально низкоамплитудные потенциалы действия.Скорость нарастания интенсивности раздражителя имеет существенное значение при определении возбудимой ткани, поэтому чаще всего используют импульсы прямоугольной формы (импульс тока прямоугольной формы имеет максимальную крутизну нарастания). Замедление скорости изменения амплитуды раздражителя приводит к тому, что происходит инактивация натриевых каналов вследствие постепенной деполяризации клеточной мембраны, а следовательно, к падению возбудимости.Увеличение силы стимула до порогового значения приводит к генерации потенциала действия Под анодом при действии сильного тока происходит изменение уровня критического потенциала, в противоположном направлении — вниз . При этом уменьшается разность между критическим потенциалом и мембранным потенциалом, т. е. возбудимость под анодом при длительном действии тока повышается. Закон Джоуля — Ленца— закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.Закон Джоуля — Ленца: при протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую, причём количество выделенного тепла будет равно работе электрических сил: Выражение закона в интегральной форме: количество теплоты , выделенное в проводнике с силой тока , сопротивлением за время равно: В случае постоянного тока и Выражение закона в дифференциальной форме: удельная мощность тока (, отнесённое к единице времени и единице объёма проводника) в точке проводника с плотностью тока и напряжённостью электрического поля равна: Плотность то́ка — векторная величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через единицу площади. Например, при равномерном распределении плотности тока по сечению проводника . В общем случае, , где — нормальная (ортогональная) составляющая вектора плотности тока по отношению к элементу площади . Направление вектора соответствует направлению вектора скорости , с которой движутся заряды, создающие ток, в предположении, что заряды положительны. В сложных системах (с различными типами носителей заряда, например, в плазме) Для всех типов подвижных носителей заряда, сумма концентраций частиц данного типа (), домноженных на заряд одной частицы данного типа () и на среднюю скорость частиц этого типа.Так же плотность тока определяется по формуле G — проводимость [1/Oм *м] E — напряженность [В/м] Сила тока (часто просто «ток») в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду , протекающему в единицу времени через сечение проводника. Обозначается буквой I. Основной формулой, используемой для решения задач, является Закон Ома для участка электрической цепи: — сила тока равняется отношению напряжения к сопротивлению. для полной электрической цепи: — где E — ЭДС, R — внешнее сопротивление, r — внутреннее сопротивление. Единица измерения в системе СИ — 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду. Для измерения силы тока используют специальный прибор – амперметр. Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении). В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность). Тепл. Действие тока.Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока. Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле: А = U·I·t. Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или Q = U·I·t. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = I·R·I·t, т. е. Q=I ·R·t Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Гальванизация – воздействие на организм с лечебно-профилактическими целями постоянным непрерывным электрическим током малой силы (до 50 м А) и низкого напряжения (30-80 В) через контактно наложенные на тело больного электроды. Введение в организм человека лекарственного препарата с применением гальванизации называется электрофорезом. Неповрежденная кожа человека обладает высоким омическим сопротивлением и низкой удельной электропроводностью, поэтому в организм ток проникает в основном через выводные протоки потовых и сальных желез, межклеточные щели. Гальванизация применяется при лечении травм и заболеваний периферической нервной системы (плекситы, радикулиты, полимероватии, невралгии), травм и заболеваний, расстройства мозгового и спинного кровообращения, энцефалиты), вегетативной дистонии, неврастении и других невротических состояний, заболеваниях органов пищеварения (хронические гастриты, колиты, холециститы, дискинезии желчевыводящих путей, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки), при гипертонии и гипотонии, стенокардии, атеросклерозе начальной стадии, хронических воспалительных процессов в различных органах и тканях, заболеваний глаз, хронических артритов и периартритов, хронического остеомиелита. Работа и мощность где А — работа, дж; I — ток, а; t — время, сек; U —напряжение, в. По закону Ома, U= Ir. Поэтому формулу работы можно написать и так: Работа, произведенная в единицу времени, называется м о щ -костью и обозначается буквой Р: Из этой формулы имеем Единица мощности Лекарственный электрофорез (ионофорез, ионтофорез) представляет собой метод сочетанного воздействия на организм постоянного электрического тока и лекарственного вещества, вводимого с его помощью. При этом значительная роль в механизме действия лекарственного электрофореза отводится электрическому току как активному биологическому раздражителю. При этом 90 - 92% лекарственного вещества вводится вследствие электрогенного движения, 1-3% - за счет электроосмоса и 5-8% - в результате диффузии. Лекарственный препарат в этом случае проникает в организм через кожу, реже - через слизистые оболочки или раневую поверхность. При электрофорезе лекарств происходит их депонирование в коже на период от 1 до 2 суток. Из кожных депо за счет осмоса, диффузии и электрогенного движения лекарственное вещество медленно и постепенно проникает в более глубокие ткани, распространяясь с током крови по всему организму. В дальнейшем лекарство распределяется в различных органах. Выведение лекарства из организма осуществляется чаще всего почками. При электрофорезе лекарство вводится в малом количестве. Однако и в этом случае лекарственный препарат оказывается вполне активным для получения хорошего лечебного эффекта. Метод лекарственного электрофореза дает возможность ввести фармакологический препарат непосредственно в очаг поражения, если последний располагается в поверхностных тканях (кожа, подкожная жировая ткань, слизистые оболочки). Наряду с указанными преимуществами данного лечебного метода следует отметить некоторые его недостатки. Не все лекарственные вещества могут быть использованы для электрофореза. Из огромного числа фармакопейных препаратов электрофоретичностью обладает лишь ограниченное их количество (около 200). Электростимуляция — применение электрического тока с целью возбуждения или усиления деятельности определенных органов и систем.Наиболее часто применяется и успешно развивается электростимуляция двигательных нервов и мышц. Реже она применяется в отношении внутренних органов. Для электростимуляции используют экспоненциальные или прямоугольные токи в виде одиночных импульсов или серии импульсов с паузами между ними, диадинамические, синусоидальные модулированные токи, ритмический постоянный ток, а также токи, приближающиеся к параметрам биопотенциалов стимулируемых мышц или органов. Лечебное действие электростимуляции обуславливается тем, что подаваемые на ткани серии импульсов чередуются с периодами покоя. Помимо возникающего двигательного возбуждения и сокращения, импульсные токи усиливают крово- и лимфообращение, стимулируют обменно- трофические процессы, направленные на энергетическое обеспечение задействованных мышц. Для электростимуляции используют экспоненциальные или прямоугольные токи в виде одиночных импульсов или серии импульсов с паузами между ними, диадинамические, синусоидальные модулированные токи, ритмический постоянный ток, а также токи, приближающиеся к параметрам биопотенциалов стимулируемых мышц или органов. Однако наиболее физиологичным для электростимуляции мышц являются токи с экспоненциальной формой импульсов. Методы электростимуляции органов и тканей В клинической практике одной из первых начала применяться асинхронная ЭКС, навязывающая сердцу постоянный, заданный ритм сокращений. Появление биоуправляемой ЭКС, при которой генератор стимула функционирует, используя оценку собственных потенциалов сердца, значительно расширило применение стимуляции для лечения нарушений сердечного ритма.При R-запрещающей ЭКС стимул генерируется только тогда, когда полностью отсутствует спонтанная активность желудочков, а появление собственного возбуждения блокирует работу генератора [249]. Данный метод ЭКС можно уподобить «дежурной» функции атриовентрикуляр-ного узла, обеспечивающего генерацию возбуждения в сердце. При этом используется «жесткая» программа работы, предотвращающая увеличение межсистолического интервала сверх заданного значения.Р-синхронизированная ЭКС в качестве управляющего сигнала использует потенциалы Р-зубцов, представляющие собой электрическую активность предсердий [250]. Эти сигналы с определенной задержкой запускают генератор стимула, который воздействует на желудочки. Таким образом, данный метод ЭКС заменяет собой проводниковую систему сердца. Механизмы действия переменного тока на возбудимые ткани. Применяя переменный ток для воздействия на ткани организма, следует учитывать, что электропроводность последних имеет также емкостную составляющую, обусловленную поляризационными явлениями в тканях. В общем виде эквивалентная электрическая схема для цепи, содержащей ткани организма, при воздействии постоянным и особенно импульсным током может быть представлена в виде нескольких последовательно включенных омических резисторов, шунтированных каждый некоторой емкостью. Следствием емкостных свойств тканей является то, что форма импульсов тока, проходящего через них, может отличаться от формы импульсов приложенного напряжения. С этим необходимо считаться при точных исследованиях. В качестве примера - форма импульсов тока, получающихся при действии на ткани организма импульсов напряжения прямоугольной формы. Нернста закон распределения определяет относительное содержание в двух несмешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостях растворимого в них компонента; является одним из законов идеальных разбавленных растворов. Открыт в 1890 В. Нернстом. Согласно Н. з. р., при равновесии отношение концентраций третьего компонента в двух жидких фазах является постоянной величиной. Н. з. р. может быть записан в виде c1/c2 = k, где c1 и c2 — равновесные молярные концентрации третьего компонента в первой и второй фазах; постоянная k — коэффициент распределения, зависящий от температуры. Н. з. р. позволяет определить более выгодные условия экстрагирования веществ из растворов (См. Растворы). Раздражающее действие импульсного тока зависит от амплитуды, длительности и формы импульса. При существенном уменьшении длительности стимула, пороговое значение его интенсивности начинает повышаться; очень короткими импульсами возбуждение вообще не удается вызвать. Для различных электровозбудимых тканей кривая зависимости интенсивность-длительность имеет почти одинаковую форму, различаясь лишь масштабами по осям. При действии постепенно нарастающего по интенсивности стимула возникает противодействие возбудимой ткани в виде снижения возбудимости, вследствие чего передний фронт электрического импульса должен нарастать круто, чтобы не утратить своего раздражающего действия. Наименьшую величину порог возбудимости имеет при импульсах прямоугольной формы. При чрескожной электронейростимуляции (ЧЭНС) используются короткие прямоугольные импульсы (длительностью около 1 мс) с относительно высокой частотой (100 Гц), что дает возможность адекватно активизировать толстые миелиновые волокна, проводящие тактильные импульсы, и избегать активизации тонких волокон, проводящих болевые импульсы Физиологическое действие каждого из импульсных токов на организм имеет свои особенности, зависящие от их физических параметров. Большинство из них оказывают выраженное влияние на нервно-мышечную систему. Помимо различного по интенсивности раздражающего действия на нервно-мышечный аппарат импульсные токи могут оказывать выраженное антиспастическое, болеутоляющее, ганглиоблокирующее и сосудорасширяющее действие, способствовать повышению трофической функции вегетативной нервной системы. Воздействия импульсными токами применяют для: нормализации функционального состояния ЦНС и ее регулирующего влияния на различные системы организма; получения болеутоляющего эффекта при воздействии на периферическую нервную систему; стимуляции двигательных нервов, мышц и внутренних органов; усиления кровообращения, трофики тканей, достижения противовоспалительного эффекта и нормализации функций различных органов и систем. Уравнение Вейса-Лапика (Weiss-Lapicque) действия электрического тока на возбудимые ткани, применимое и к дефибрилляции, было выведено на основе экспериментальных данных в начале XX века: Iave = Ir · (1 + dc / d) Iave — средний ток стимулирующего электрического импульса Ir — постоянный ток, достаточный для нейростимуляции (ток реобазы) d — длительность стимулирующего импульса dc — длительность импульса, при которой достаточный для нейростимуляции средний ток импульса в два раза больше тока реобазы (хронаксия) Главным недостатком модели Вейса-Лапика является то, что она не делает различий между формами импульсов с одинаковым средним значением тока. Между тем экспериментально установлено, что треугольный нарастающий импульс эффективнее, чем треугольный спадающий. Дюбуа-Рей-мон установил, что нервно-мышечное сокращение вызывается исключительно колебанием силы тока, а не его абсолютным значением; изменение колебания силы тока тем действительнее, чем быстрее оно происходит; время прохождения тока и следовательно количество электричества и энергии при этом не имеет значения. Как видно, фактор времени не учитывается. Фик (Fick) указывает, что после нек-рого порога время прохождения тока играет большую роль. Гоорвег (Hoorweg), вызывая мышечное сокращение при помощи разряда конденсаторов, пришел к заключению, что фактор времени при нервно-мышечных сокращениях имеет весьма большое значение. Вейс (Weiss) показал, что сила тока, дающая порог сокращения, уменьшается, если время прохождения тока увеличивается, но это бывает только до нек-рой величины, вслед за к-рой можно увеличивать время сколько угодно, а сила тока, вызывающая сокращение, больше не изменится. Время прохождения тока, количество электричества и сила тока связаны следующими двумя формулами: it =a-\-bt; а i = -r +Ь. В этих формулах t—время прохождения тока, i—сила тока, дающая порог, а и Ъ—две константы: а—константа количества, Ъ—константа силы тока. Это есть порог раздражения в законе Дюбуа-Реймона. Вейс показал, что константы а и Ъ могут варьировать в зависимости от условий опыта, но отношение а ■у- остается постоянным для данного нерва и мышцы при всех условиях опыта. Лапик (Lapicque), изучая возбудимость мышцы и нерва, различным образом варьируя экспе- а рименты, показал, что отношение -.- является единственным постоянным элементом, характеризующим возбудимость. Хронаксия является другим показателем стимуляционной электродиагностики. Это минимальное время, необходимое для вызова видимого сокращения мышцы под влиянием силы тока, равной удвоенной реобазе. Диагностическое значение этого показателя при повреждении периферических нервов — вопрос дискутабельный.Источником ошибок при нем, как указывается, являются значительные различия величин при частичной денервации, а также и вариации температуры, кровоснабжения, отеков, сопротивления кожи и др. Все это, как и возможность определить хронаксию непосредственно на основании кривых интенсивность/время, не измеряя отдельно ее (она является точкой на кривой, соответствующей, удвоенной реобазе), указывают на преимущество кривых I/t. РЕОБАЗА (от греч. rheos - течение - поток и basis - основание), наименьшая сила постоянного электрического тока, вызывающая при достаточной длительности действия возбуждение в живых тканях. Реобаза, как и хронаксия, характеризует возбудимость тканей. реобазой называют минимальную силу тока, вызывающую ответ: сокращение мышцы либо биоэлектрический потенциал в одиночной нервной клетке, при неограниченном времени воздействия (на практике обычно не более нескольких сот миллисекунд). Реобаза составляет половину силы тока, которая вызывает реакцию мышечной или нервной ткани за время. Электрокардиостимуляция (ЭКС) - это метод, с помощью которого на какой-либо участок сердечной мышцы наносят внешние электрические импульсы, вырабатываемые искусственным водителем ритма (электрокардиостимулятором), в результате чего происходит сокращение сердца. Различают 2 вида электрокардиостимуляции: постоянную электрокардиостимуляцию и временную электрокардиостимуляцию. Постоянная электрокардиостимуляция – это имплантация искусственного водителя ритма или кардиовертера-дефибриллятора. Имплантация искусственного водителя ритма (пейсмейкера) требуется при хронических тяжелых брадиаритмиях. Искусственные водители ритма представляют собой устройства, которые могут при необходимости (в случае нарушения ритма) генерировать электрический импульс, вызывающий возбуждение миокарда.Альтернативы лечения этих состояний не существует. Временная электрокардиостимуляция Временная электрокардиостимуляция необходима при тяжелых брадиаритмиях, обусловленных дисфункцией синусового узла или АВ блокадами. Временная электрокардиостимуляция может проводиться различными методами. Актуальными на сегодняшний день являются трансвенозная эндокардиальная и чреспищеводная электрокардиостимуляция, а также в некоторых случаях – наружная чрескожная электрокардиостимуляция. Особенно интенсивное развитие получила трансвенозная (эндокардиальная) электрокардиостимуляция, поскольку только она является эффективным способом «навязать» сердцу искусственный ритм при возникновении тяжелых нарушений системного или регионарного кровообращения вследствие брадикардии. При ее выполнении электрод под контролем ЭКГ через подключичную, внутреннюю яремную, локтевую или бедренную вены вводят в правое предсердие или правый желудочек. Электродефибрилляция может быть непрямая (через грудную стенку) и прямая (активный электрод накладывают непосредственно на обнаженное сердце). Вне операционной, как правило, используют непрямую электродефибрилляцию постоянным током. При этом у взрослых применяют разряд электродефибриллятора напряжением 3000—4000В (100—150 Дж). Наиболее эффективна электродефибрилляция при выполнении ее в срок не более 20—30с после начала фибрилляции. Методика электродефибрилляции заключается в следующем. Пассивный электрод в виде свинцовой пластины, для улучшения контакта с кожей обернутой марлей, смоченной изотоническим раствором хлорида натрия, подкладывают под левую лопатку. Активный (круглый) электрод, тоже обернутый марлей и смоченный тем же раствором, ставят на область верхушки сердца или левого соска. Электродефибриллятор включают в сеть и заряжают до 3000—3500В. Проводящий электродефибрилляцию плотно прижимает электрод к коже и производит разряд. После этого проверяют пальпаторно появление пульса или сердечных сокращений, если не подключен электрокардиограф или электрокардиоскоп. Делать это надо быстро в течение 5—10 секунд. В случае, если эффекта нет, немедленно возобновляют массаж сердца и ИВЛ. Через 2—3 мин повторяют разряд, увеличив напряжение на 500 В или 50 Дж. Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля. УВЧ-терапия магнитным полем – метод электролечения, в основе которого лежит воздействие на ткани тела больного непрерывным и импульсным электрическим полем ультравысокой частоты. В данном случае применяется генератором ультравысокой частоты (40,68 МГц) в резонансном индукторе с настроенным контуром.Резонансный индуктор представляет собой настроенный на частоту генератора контур, состоящий из катушки специальной формы для создания магнитного поля и конденсатора для согласования индуктора с терапевтическим контуром аппарата для УВЧ-терапии. Проводники и диэлектрики. Выдел. Теплоты.Проводники – это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела (например, электроны в металле, ионы в жидкости или газе). Диэлектрики – это тела, в которых нет свободных носителей заряда, то есть нет заряженных частиц, которые могли бы перемещаться в пределах этого диэлектрика. Так как при возникновении и при исчезновении этого состояния частицы хотя бы немного, но движутся, а их движение есть электрический ток, то значит и в диэлектриках в это время происходит процесс, эквивалентный току, но не сопровождаемый выделением тепла.токи в проводниках сопровождаются выделением тепла и постоянно идти могут лишь при постоянном доставлении энергии извне, т. е. при действии внешних сил. Этого мы не имеем в магнитах. Токи в диэлектриках не сопровождаются выделением тепла, но тоже не могут идти вечно сами по себе. Значит в магнитах мы имеем как бы новый тип электр. токов. Магни?тное по?ле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозон-фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля)[1]. В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах. Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Индуктотермия - применение с лечебной целью переменного электромагнитного поля высокой частоты от 3 до 30 МГц. Механизм действия: кратковременное сужение, а затем расширение сосудов увеличение проницаемости капилляров увеличение числа лейкоцитов, главным образом за счет нейтрофилов и моноцитов стимуляция фагоцитоза увеличение количества эритроцитов у больных с гипертонической болезнью нормализация АД сначала повышение, затем понижение уровня сахара в крови сначала повышение основного обмена, затем понижение и повышение толерантности к гипоксии Индукционный нагрев тканей тела может вызывать различные физиологические и терморегуляторные реакции, включая снижение умственных и физических возможностей при возрастании температуры тела. Имеются сообщения об аналогичных эффектах среди людей, подвергающихся тепловой нагрузке, например, при работе в условиях перегрева или при длительной гипертермии. - Индукционный нагрев может повлиять на развитие плода. Врожденные дефекты могут иметь место только при повышении температуры плода на протяжении нескольких часов на 2-30С. Индукционный нагрев может влиять также на мужскую фертильность и приводить к помутнению хрусталика глаза (катаракте). Электромагни?тное излуче?ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля (то есть иначе говоря — взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей). Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием. К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-)излучение (см. ниже, см. также рисунок). Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение). Поглощ. В-вом энергии эмк. При прохождении электромагнитной волны через материальную среду должно происходить её ослабление, так как энергия исходной волны при прохождении через среду должна уменьшаться. Это согласуется с законом сохранения энергии, если учесть, что к материальной среде дополнительная энергия не подводится, а часть попавшей в вещество электромагнитной энергии переходит в тепло. Материальные среды, для которых коэффициент является положительным, называются пассивными. Отметим, что возможна также ситуация, когда коэффициент является отрицательным. Это осуществляется лишь в том случае, когда к материальной среде подводится энергия извне. При этом может происходить усиление электромагнитной волны после прохождения её через материальную среду. Среды, усиливающие электромагнитные волны, называются активными. СВЧ-терапия (микроволновая терапия) — физиотерапевтический метод электролечения, основанный на воздействии электромагнитных колебаний с длиной волны от 1 мм до 1 м (или соответственно с частотой электромагнитных колебаний 300— 30 000 МГц). В лечебной практике используют микроволны дециметрового (0,1—1 м) и сантиметрового (1— 10 см) диапазонов и в соответствии с этим различают два вида СВЧ-терапии: дециметровая (ДМВ-терапия) и сантиметроволновая (СМВ-терапия). Микроволны занимают промежуточное положение между электромагнитными волнами УВЧ-диапазона и ИФ-лучами, поэтому по некоторым физическим свойствам приближаются к световой, лучистой энергии. Они могут, как свет, отражаться, преломляться, рассеиваться и поглощаться, их можно концентрировать в узкий пучок и использовать для локального направления воздействия. Попадая на тело человека, 30—60% микроволн поглощается тканями организма, остальная часть отражается. При отражении микроволн, особенно тканями с различной электропроводностью, поступающая и отраженная энергия могут складываться, что создает угрозу местного перегрева тканей. Миллиметровой волновой терапией (КВЧ терапией) называется использование с лечебной целью электромагнитного излучения частотой от 30 до 300 ГГЦ. Эти частоты соответствуют длинам волн от 1 до 10 мм, отсюда название физического фактора - миллиметровые волны - ММВ. Данные частоты - это крайняя часть радиочастотного диапазона электромагнитных волн, отсюда второе распространенное название метода - КВЧ - крайне высокочастотная терапия. Электромагнитные волны возникают всегда, когда электрические заряды двигаются с переменной скоростью (ускорением). Излучением электромагнитных волн сопровождается переход электронов в атомах и молекулах с одной энергетической орбиты на другую, причем это может происходить не только при внешнем воздействии другого электромагнитного поля, но и при больших температурах. Радиоактивное излучение - это поток элементарных частиц различных энергий, которые при прохождении через вещество производят ионизацию в нем. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).Радиоактивное излучение бывает трех типов: альфа-, бета- и гамма-излучение.Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью (например,поглощается слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм.). Эта поток ядергелия.Бета-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями. Егоионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), апоглощающая, гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2мм), чем у альфа-частиц. Это поток электронов или позитронов. Коэффициентпоглощения бета-излучения, которое сильно рассеивается в веществе, зависит не только от свойств вещества, но и от размеров и формы тела, на которое падает бета-излучение.Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). При прохождении через кристаллическое вещество наблюдается дифракция гамма- излучения. Гамма-излучение — это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны — меньше 10^-10 м. Многие радиоактивные процессы сопровождаются излучением гамма-квантов. Радиоактивные излучения характеризуются следующими физическими величинами: активность радиоактивного источника - это число радиоактивных распадов в единицу времени. Активностью А в СИ измеряется в беккерелях, внесистемная единица - кюри (1Бк = 1 распад/с; 1Ки = 3,7?1010Бк); экспозиционная доза - определяется по ионизации сухого воздуха как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в этом объеме. Единица экспозиционной дозы D0 в СИ - Кл/кг, внесистемной единицей является рентген ( 1P = 2,58?10-4Кл/кг); Закон радиоактивного распада показывает, как количество нераспавшихся ядер данной радиоактивной субстанции уменьшается в течение времени. Красные круги этого макета символизируют 1000 атомных ядер радиоактивной субстанции, период полураспада (Т) которой достигает 20 секунд. Диаграмма в нижней части апплета изображает часть ещё нераспавшихся ядер (N/N0) в данном промежутке времени t, в соответствии следующему закону: N = N0 · 2-t/T. N .... число нераспавшихся ядер N0 ... начальное число ядер t .... время T .... период полураспада. Период полураспада квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время T?, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода полураспада количество выживших частиц уменьшится в среднем в 2 раза. Термин применим только к экспоненциально распадающимся системам. Не следует считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2T? останется четверть от начального числа частиц, за 3T? — одна восьмая и т. д. Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом: Период полураспада, среднее время жизни ? и константа распада ? связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада.Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада- основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий 88Ra226 имеет период полураспада Т=1600 лет; торий 90Th231 -25.64 часа; полоний 84Po212 -3·10-7 сек. Для Б. д. и. и. характерен ряд общих закономерностей. 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. 2) Б. д. и. и. не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения Б. д. и. и. и защиты организма от излучений. 3) Для Б. д. и. и. характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции . Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для Б. д. и. и.. испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма. Проникающая способность излучения определяет состав и толщину эффективно поглощающего его материала. a-излучение - наименее проникающее. Оно эффективно поглощается слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем воды толщиной около 0,1 мм или, например, листом бумаги. b-излучение обладает существенно большей проникающей способностью; чтобы его задержать, нужен, например, слой алюминия толщиной в несколько миллиметров, а пробег b-частиц в биологической ткани достигает нескольких сантиметров. Для g-излучения все эти преграды почти прозрачны. Чтобы его задержать, нужен очень толстый (десятки сантиметров и даже метры) слой вещества, при этом обладающего как можно большим атомным номером (например, свинца). Иониз. Способ.-способность частиц к иониз. излучению. Ионизирующее излучение – это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. При ядерном взрыве, авариях на АЭС и других ядерных превращениях появляются и действуют не видимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе ядерное излучение может быть электромагнитным, как например, гамма-излучение, или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета и альфа-частиц. Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. Ионизация среды тем сильнее, чем больше мощность дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное их воздействие. Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается в разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти. Чтобы оценить влияние ионизирующих излучений на человека (животное), надо учитывать две основных характеристики: ионизирующую и проникающую способности. Дозиметрия ионизирующих излучений — раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений. Основной дозиметрической величиной является доза ионизирующего излучения и ее модификации. Единицы измерений доз. Активность радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) : A = dN/dt Единица активности в системе СИ - Беккерель (Бк). Внесистемная единица - Кюри (Ки). Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц : X = dQ/dm Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и -излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме : D = dE/dm Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества. Эквивалентная доза (Н). Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы Dr, созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель wr (называемый еще - коэффициент качества излучения) Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв). Дозиметр может применяться для оценки мощности дозы гамма-излучения и поверхностного загрязнения бета-излучающими изотопами. Дозиметры обладают встроенными счетчиками Гейгера- Мюллера Дозиметры - приборы, позволяющие произвести замер дозиметрических величин. По виду измеряемого излучения дозиметры классифицируются на следующие виды: для гамма-, рентгеновского, нейтронного излучений. Также дозиметры различаются и по методу измерения: люминесцентные, ионизационные, калориметрические и химические. Приборы, применяемые для осуществления радиационного мониторинга, можно разделить на следующие виды: переносные, портативные,индивидуальные, стационарные, лабораторные. Переносные, стационарные и портативные приборы, в свою очередь, классифицируются на приборы для проведения радиационного мониторинга и мониторинга радиоактивного загрязнения. Принцип действия. Все бытовые дозиметры устроены примерно одинаково и имеют схожий принцип действия. Сердцем каждого такого прибора служит один или несколько газоразрядных счетчиков Гейгера-Мюллера, которые являются детектором бета-частиц, фотонов рентгеновского и гамма-излучения. Счетчик имеет герметичный стеклянный корпус или корпус из тонкой металлической фольги, который заполнен аргоном, и два электрода, на которые подается напряжение около 400 вольт. Если подать большее напряжение, то произойдет самопроизвольный разряд в газовом промежутке между электродами. Чтобы этого не случилось, напряжение устанавливают так, чтобы счетчик находился на самом пороге, пока разряд еще не возникает и никакого тока нет. Этим обеспечивается высокая чувствительность такого датчика, находящегося как бы в дежурном режиме. Когда бета-частица, пролетев сквозь тонкую стенку корпуса счетчика, достигнет газового промежутка, запускается процесс ионизации газа, он становится электропроводящим, и в нагрузочном резисторе, включенном последовательно со счетчиком, возникает короткий электрический импульс тока. При этом напряжение на электродах резко уменьшается до значения, при котором разряд в газовом промежутке между электродами становиться невозможным. Ток прекращается, напряжение резко увеличивается до 400 вольт, и датчик снова готов для регистрации следующей бета-частицы. Обнаружение рентгеновского и гамма-излучения происходит аналогичным образом с той лишь разницей, что возникновению разрядов способствуют электроны, выбиваемые фотонами из специального пленочного покрытия, нанесенного на внутренние стенки датчика. Таким образом устроены широко применяемые в бытовых дозиметрах счетчики Гейгера-Мюллера типа СБМ-20 и ему подобные. Короткие электрические импульсы сформированные датчиком, поступают на электронную схему – счетчик электрических импульсов, который подсчитывает количество импульсов за определенный промежуток времени, например, 1с, 10с, 40 с или другое. Это время называется временем измерения, временем счета или временем накопления информации. По истечению времени измерения, на индикаторе (цифровом табло) появляется результат измерения. После завершения цикла измерения и индикации, электронный счетчик сбрасывается вручную кнопкой «Сброс» или автоматически, и процесс измерения может быть продолжен. |
Оптические явления в биологии и медицине Строение глаза Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему. Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача -"передать" правильное изображение зрительному нерву. Структуры глаза выполняют разные функции: оптической системы, проецирующей изображение; системы, воспринимающей и "кодирующей" полученную информацию для головного мозга; "обслуживающей" системы жизнеобеспечения. Роговица прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой. Радужная оболочка по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в ней мало пигментных клеток, если карий - много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток. Зрачок отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок. Хрусталик "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Стекловидное тело гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза. Сетчатка состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция. Склера непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов. Сосудистая оболочка выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках. Зрительный нерв при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг. Глаз редуцированный упрощенная физическая модель глаза, представляющая собой оптическую систему, имеющую, в отличие от схематического глаза, только одну преломляющую поверхность. редуцированный глаз Вербицкого - имеет след. параметры: 1) преломляющая сила в диоптриях, или рефракция (58,82); 2) длина глаза (23,4 мм); 3) радиус кривизны роговицы (6,8 мм); 4) показатель преломления стекловидного тела (1,40); 5) радиус кривизны поверхности сетчатки (10,2 мм).В редуцированном глазе оптическая система состоит из 1 преломляющей поверхности, разделяющей 2 среды - воздух и стекловидное тело. Опти́ческая си́ла — величина, характеризующая преломляющую способность осесимметричных линз и центрированных оптических систем из таких линз.Обратно пропорциональна фокусному расстоянию системы: где n ’ и n — показатели преломления сред, расположенных соответственно за и перед системой; f и f’ — заднее и переднее фокусные расстояния системы, отсчитываемые от её главных плоскостей. Для системы, находящейся в воздухе (n = n ’ ≈ 1), D равна 1/f’. Следовательно, оптическая сила системы (или отдельной линзы) тем больше, чем сильнее эта система преломляет лучи света (чем меньше её фокусное расстояние). Оптическая сила измеряется в диоптриях (дптр, размерность м-1); Оптическая сила положительна у собирающих систем и отрицательна в случае рассеивающих. Для двух или более тонких линз, находящихся в контакте, оптическая сила системы приближается к сумме оптических сил каждой отдельной линзы. Обычно оптическая сила используется для характеристики линз, используемых в офтальмологии, в обозначениях очков и для упрощённого геометрического определения траектории луча. Механизм аккомодации При сокращении волокон ресничной мышцы происходит расслабление связки, к которой подвешен заключенный в капсулу хрусталик. Ослабление натяжения волокон этой связки уменьшает степень натяжения капсулы хрусталика. При этом хрусталик вследствие своей эластичности приобретает более выпуклую форму, в связи с этим преломляющая сила его увеличивается и на сетчатке фокусируется изображение близко расположенных предметов. При расслаблении аккомодативной мышцы происходит обратный процесс. При аккомодации в глазу происходят следующие изменения. Хрусталик меняет свою форму неравномерно: передняя его поверхность, особенно центральная противозрачковая часть, изменяется сильнее, чем задняя. Глубина передней камеры уменьшается вследствие приближения хрусталика к роговице. Хрусталик опускается книзу за счет провисания на расслабленной связке. Зрачок суживается в связи с общей иннервацией ресничной мышцы и сфинктера зрачка от парасимпатической ветви глазодвигательного нерва. Диафрагмирующий эффект суженного зрачка, со своей стороны, увеличивает четкость изображения близких предметов. недостаток оптической системы, получающийся вследствие неодинаковой кривизны оптической поверхности в разных плоскостях сечения падающего на неё светового пучка. Сферическая волновая поверхность после прохождения оптической системы деформируется и перестаёт быть сферической. Пучок лучей, исходящий из светящейся точки, после прохождения через оптическую систему собирается не в одной точке, а в двух взаимно перпендикулярных отрезках прямой линии, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Механизмы фоторецепции которые настолько эффективны, что оказались приспособленными для использования самыми разнообразным» клетками и организмами. Таковы по своей природе цикл Креб-са для энергетического метаболизма,, комплекс актин — миозин для мышечного сокращения и синапс для. нервной, передачи. То же самое применимо и к фоторецепции. Мы уже отмечали, что излучения узкой полосы видимого спектра имеют энергию, как раз достаточную для поглощения молекулами, но не такую большую, чтобы их разрушить. Теперь нужна молекула, способная переводить световую энергию в максимально возможное количество свободной химической энергии. Наиболее эффективно это делают молекулы, принадлежащие к классу так называемых каротиноидов, представителем которого является витамин А.В клетках, специализированных для фоторецепции, мы обнаруживаем еще одно проявление универсальности: у большинства видов фоторецепторная часть клетки состоит из тонких отростков типа волосков. В некоторых случаях это реснички или модификации ресничек; в других случаях это микроворсинки или их модификации. Р. Икин (R. Eakin) из Калифорнийского университета в Беркли сделал обзор вариаций этих структур у разных видов и высказал предположение о существовании двух главных линий эволюции фоторецепторов. Как показано на обобщающей схеме. Имеется линия плоские черви — кольчатые черви — членистоногие, в которой для размещения родопсина и фоторецепции используются микроворсинки, собранные в рабдом, и линия кишечнополостные — иглокожие — хордовые, в которой для этой цели используются модифицированные реснички. Хотя в этих линиях встречаются исключения (как всегда в биологии), такая схема дает хорошее представление о разнообразии рецепторов; кроме того, она демонстрирует важность волосовидных отростков для сенсорного преобразования. Икин предположил, что мембраны ресничек и микроворсинок обеспечивают плоскостное размещение молекул фотопигментов для наиболее эффективного поглощения фотонов. Абсолютная чувствительность глаза .Жизненный опыт убеждает, сколь чувствителен глаз человека к свету. Астрономы давно научились краешком глаза (как мы теперь понимаем, периферическим палочковым зрением) различать на ночном небе даже самые слабые звезды. Однако необходимы были конкретные знания о минимальной энергии света или числа квантов, способных создать субъективное ощущение световой вспышки. От этого прямо зависит понимание процессов преобразования светового сигнала в зрительный, т.е. понимание молекулярных механизмов фототрансдукции. Как мы теперь знаем, в эксперименте по определению порога чувствительности зрительной системы необходимы следующие условия: предварительная темновая адаптация глаза наблюдателя; фиксация пятна света на периферии сетчатки, где находятся более чувствительные к свету палочки (сумеречное зрение); достаточно маленькое световое пятно, падающее на сетчатку глаза, порядка 10 или менее угловых минут; кратковременная (~1 мс) световая вспышка; определенная длина волны света, соответствующая максимуму спектральной чувствительности палочкового зрения (около 510 нм). Острота зрения — максимальная способность зрительной системы различать отдельные объекты. Ее определяют по наименьшему расстоянию между двумя точками, которые возможно различить, т.е. видеть отдельно, а не слитно. За нормальную остроту зрения (которая обозначается единицей) принимается 1 угловая минута. Острота зрения зависит от места проекции изображения на сетчатки. При проекции изображения в область желтого пятна (колбочковый аппарат) острота зрения значительно выше, чем при проекции изображения на периферию сетчатки (палочковый аппарат). Острота зрения зависит от степени освещенности (в сумерках она ниже, а на свету выше), от физического контраста (чем больше физический контраст, тем выше острота зрения), а так же от уровня эмоционального напряжения (в зависимости от психофизиологических характеристик личности она может быть либо выше, либо ниже) и функционального состояния человека (при утомлении острота зрения падает). Спектральная чувствительность приёмника излучения, отношение величины, характеризующей уровень реакции приёмника, к потоку энергии монохроматического излучения, вызывающего эту реакцию (см. Монохроматический свет). Различают абсолютную Спектральная чувствительность, выражаемую в именованных единицах (например, a/вm, если реакция приёмника измеряется в амперах), и безразмерную относительную Спектральная чувствительность — отношение Спектральная чувствительность при данной длине волны излучения к максимальному значению Спектральная чувствительность или к Спектральная чувствительность при некоторой др. длине волны. Спектральная чувствительность глаза человека — то же, что и спектральная световая эффективность излучения (видность). О Спектральная чувствительность фотоматериалов см. в ст. Сенсибилизация оптическая, Сенситометрия. Восприятие цвета человеком. Принято считать, что цвет определяется длиной электро-магнитной волны, а конкретный (например синий) цвет это всего лишь наше представление о нем. Это представление формируется в результате реакции человеческой системы визуального восприятия на длину волны. Цвет - впечатление, которое оказывают на орган зрения человека электро-магнитные волны разной длины. Цвет - информация, закодированная в длине электро-магнитных волн. Для нормального восприятия этих волн человеческий глаз преобразует их в три основных цвета. Мозг человека разделяет видимый цветовой спектр на три части: красную, зеленую, синюю (цветовая модель RGB). Это значит, что все остальные цвета, воспринимаемые человеком, - плод создания (смешения) этих трех цветов. Дальтони́зм, цветовая слепота — наследственная, реже приобретённая особенность зрения человека и приматов, выражающаяся в неспособности различать один или несколько цветов. Названа в честь Джона Дальтона, который впервые описал один из видов цветовой слепоты на основании собственных ощущений, в 1794 году.У человека в центральной части сетчатки расположены цветочувствительные рецепторы — нервные клетки, которые называются колбочки. Каждый из трёх видов колбочек имеет свой тип цветочувствительного пигмента белкового происхождения. Один тип пигмента чувствителен к красному цвету с максимумом 552—557 нм, другой — к зелёному (максимум около 530 нм), третий — к синему (426 нм). Люди с нормальным цветным зрением имеют в колбочках все три пигмента (красный, зелёный и синий) в необходимом количестве. Их называют трихроматами (от др.-греч. χρῶμα — цвет). Передача дальтонизма по наследству связана с X-хромосомой и практически всегда передаётся от матери-носителя гена к сыну, в результате чего в двадцать раз чаще проявляется у мужчин, имеющих набор половых хромосом XY. Устройство микроскопа. Принцип работы с микроскопом. Работа с микроскопом. Рассмотрим устройство типичного биологического микроскопа. Штативная подставка выполняется в виде тяжелой отливки, обычно подковообразной формы. К ней на шарнире прикреплен тубусодержатель, несущий все остальные части микроскопа. С помощью тубуса, в который вмонтированы линзовые системы, можно перемещать их относительно образца для фокусировки. На нижнем конце тубуса расположен объектив. Как правило, микроскоп снабжен несколькими объективами разного увеличения на револьверной головке, которая позволяет устанавливать их в рабочее положение на оптической оси. При исследовании образца оператор обычно начинает с объектива, который имеет наименьшее увеличение и наиболее широкое поле зрения, находит интересующие его детали, после чего рассматривает их, пользуясь объективом с большим увеличением. Окуляр вмонтирован в конец выдвижного держателя, при помощи которого можно при необходимости изменять длину тубуса. Передвигая вверх и вниз весь тубус с объективом и окуляром, микроскоп наводится на резкость.В качестве образца обычно берется очень тонкий прозрачный слой или срез, который кладут на стеклянную пластинку прямоугольной формы, называемую предметным стеклом, а сверху накрывают более тонкой стеклянной пластинкой меньших размеров, которая называется покровным стеклом. Чтобы увеличить контраст, образец часто окрашивают химическими веществами. Предметное стекло кладут на предметный столик таким образом, чтобы образец находился над центральным отверстием столика. Столик, как правило, бывает снабжен механизмом для плавного и точного перемещения образца в поле зрения. Третья система линз – конденсор – концентрирует свет на образце. Держатель конденсоров, которых может быть несколько, находится под предметным столиком. Здесь же расположена ирисовая диафрагма для регулировки апертуры. Еще ниже находится осветительное зеркало, устанавливаемое в универсальном шарнире. За счет того, что зеркало отбрасывает свет лампы на образец оптическая система микроскопа и создает видимое изображение. Чтобы изображение формировалось на фотопленке, окуляр заменяется фотоприставкой. Ход лучей в микроскопе значительно сложнее, чем в лупе. Прежде чем попасть в глаз наблюдателя, лучи, идущие от предмета, проходят через две линзы и поэтому два раза меняют своё направление. Благодаря этому достигается очень большое увеличение угла зрения.Рассматриваемый предмет помещается вблизи первой линзы микроскопа, которая называется объективом (от слова объект - предмет). Расстояние между предметом и объективом всегда немного больше фокусного расстояния объектива.Поэтому после прохождения через объектив пучки лучей, идущие от каждой точки предмета, сходятся, и за линзой образуется изображение предмета. Величина этого изображения во много раз больше самого предмета. Изображение можно сделать видимым. Для этого следует поместить в то место, где оно образуется, какой-либо экран, например, лист белой бумаги или матовое стекло. Глазу, помещённому за матовым стеклом на оптической оси микроскопа, изображение будет казаться как бы нарисованным на стекле. Уберите матовое стекло. Изображение не исчезнет. Но теперь оно будет казаться будто бы висящим в воздухе. Глаз может видеть его так же, как видит он обычные предметы. Такое изображение называют действительным.Итак, первая линза микроскопа - объектив - создаёт действительное и увеличенное изображение предмета. Для чего же служит вторая линза микроскопа, обращённая к глазу? Какую роль она выполняет? Вторая линза микроскопа, называемая окуляром (окулюс - глаз), является не чем иным, как обычной лупой. С её помощью глаз рассматривает даваемое объективом действительное изображение предмета. Поэтому устанавливается окуляр так, чтобы даваемое объективом действительное изображение находилось между окуляром и его фокусом. Таким образом, в конечном счёте, наш глаз видит мнимое изображение, даваемое окуляром. Величина этого мнимого изображения в несколько раз больше величины действительного изображения, полученного с помощью объектива. Но так как само действительное изображение является увеличенным, то понятно, что общее увеличение микроскопа значительно больше увеличения, даваемого лупой. Увеличение и разрешающая способность микроскопа Увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. У типичных исследовательских микроскопов увеличение окуляра равно 10, а увеличение объективов – 10, 45 и 100. Соответственно, увеличение такого микроскопа составляет от 100 до 1000. Некоторые из микроскопов имеют увеличение до 2000. Еще более высокое увеличение не имеет смысла, так как при этом разрешающая способность не улучшается. Напротив, качество изображения ухудшается. Формула для увеличения микроскопа Качество изображения определяется разрешающей способностью микроскопа, т.е. минимальным расстоянием, на котором оптика микроскопа может различить раздельно две близко расположенные точки. разрешающая способность зависит от числовой апертуры объектива, конденсора и длины волны света, которым освещается препарат. Числовая апертура (раскрытие) зависит от угловой апертуры и показателя преломления среды, находящейся между фронтальной линзой объектива и конденсора и препаратом. Кроме разрешающей способности системы, числовая апертура характеризует светосилу объектива: интенсивность света, приходящаяся на единицу площади изображения, приблизительно равна квадрату NA. Величина NA составляет примерно 0,95 для хорошего объектива. Микроскоп обычно рассчитывают таким образом, чтобы его полное увеличение составляло около 1000 NA. Предел разрешения – наименьшее расст. Между двумя близко расположенными точками предмета, разлизимыми в микроскоп(воспринимаемыми как две точки). Апертура (лат. apertura — отверстие) в оптике — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения. В зависимости от типа оптической системы эта характеристика может быть линейным или угловым размером. Как правило, среди деталей оптического прибора специально выделяют, так называемую, апертурную диафрагму, которая сильнее всего ограничивает диаметры световых пучков, проходящих через оптический инструмент. Часто, роль такой апертурной диафрагмы выполняет оправа или, просто, края одного из оптических элементов (линзы, зеркала, призмы). Угловая апертура — угол между крайними лучами конического светового пучка на входе (выходе из) оптической системы. Числовая апертура — равна произведению показателя преломления среды между предметом и объективом на синус апертурного угла. Именно эта величина наиболее полно определяет одновременно светосилу, разрешающую способность объектива микроскопа. Для увеличения числовой апертуры объективов в микроскопии пространство между объективом и покровным стеклом заполняют иммерсионной жидкостью. Угловая апертура объектива - это максимальный угол (AOB), под которым могут попадать в объектив лучи, прошедшие через препарат. Числовая апертура объектива равна произведению синуса половины угловой апертуры на показатель преломления среды, находящейся между предметным стеклом и фронтальной линзой объектива. N.A. = n • sinα где, N.A. - числовая апертура; n - показатель преломления среды между препаратом и объективом; sinα - синус угла α равного половине угла АОВ на схеме. Таким образом, апертура сухих систем (между фронтальной линзой объектива и препаратом-воздух) не может быть более 1 (обычно не более 0,95). Среда, помещаемая между препаратом и объективом, называется иммерсионной жидкостью или иммерсией, а объектив, рассчитанный для работы с иммерсионной жидкостью, называют иммерсионным. Благодаря иммерсии с более высоким показателем преломления чем у воздуха, можно повысить числовую апертуру объектива и, следовательно, разрешающую способность. Числовая апертура объективов всегда гравируется на их оправах. Разрешающая способность микроскопа зависит также от апертуры конденсора. Если считать апертуру конденсора равной апертуре объектива, то формула разрешающей способности имеет вид R=λ/2NA, где R - предел разрешения; λ - длина волны; N.A - числовая апертура. Из этой формулы видно, что при наблюдении в видимом свете (зеленый участок спектра - λ=550нм), разрешающая способность (предел разрешения) микроскопа не может быть > 0,2мкм Иммерсия (от лат. immersio — погружение) — жидкость, заполняющая пространство между объектом наблюдения и специальным иммерсионным объективом (конденсором и предметным стеклом). В основном применяются три типа иммерсионных жидкостей: масляная иммерсия (МИ/Oil), водная иммерсия (ВИ/W) и глицериновая иммерсия (ГИ/Glyc), причем последняя в основном применяется в ультрафиолетовой микроскопии. Иммерсия применяется в тех случаях, когда требуется повысить разрешающую способность микроскопа или ее применения требует технологический процесс микроскопирования. При этом происходит: 1. повышение видимости за счет увеличения разности показателя преломления среды и объекта; 2. увеличение глубины просматриваемого слоя, который зависит от показателя преломления среды. Кроме того, иммерсионная жидкость может уменьшать количество рассеянного света за счет исчезновения бликов от объекта. При этом устраняются неизбежные потери света при его попадании в объектив. Рефракция света - изменение направления световых лучей в среде с изменяющимся в пространстве показателем преломления п. Обычно термином «Р. с.» пользуются при описании распространения оптич. излучения в неоднородных средах с плавно меняющимся п от точки к точке (траектории лучей света в таких средах - плавно искривляющиеся линии). Резкое изменение направления лучей на границе раздела двух однородных сред с разными п обычно наз. преломлением света. В атм. оптике, очковой оптике традиционно используют именно термин «рефракция». Т. к. атмосфера является неоднородной средой, то вследствие Р. с. происходит смещение видимого положения небесных светил относительно истинного, что необходимо учитывать в астрономии. Р. с. в атмосфере должна учитываться и при геодезич. измерениях. Р. с. является причиной миражей. Явление Р. с. позволяет визуализировать оптич. неоднородности в твёрдых, жидких и газовых средах. Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ. Показатель преломления n, представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны l света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах. Методы рефрактометрии делятся на две большие группы: объективные и субъективные. Несмотря на бесспорное преимущество объективных методов, каждое объективное исследование, как правило, завершается корректировкой субъективными методами.Объективные методы. Различают две подгруппы объективных методов рефрактометрии: 1. Объективные по отношению к пациенту и субъективные по отношению к врачу. Примером может служить скиаскопия, объективные данные которой могут быть получены через субъективную оценку врачом скиаскопического рефлекса исследуемого.2. Объективный по отношению и к исследуемому, и исследующему, реализуемый при помощи рефрактометрического автомата. Поляризация света - физ. характеристика оптич. излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т. е. неэквивалентность разл. направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Существ. значение для понимания П. с. имело её проявление в эффектах интерференции света и, в частности, тот факт, что два световых луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации непосредственно не интерферируют. П. с. нашла естеств. объяснение в эл.-магн. теории света, разработанной в 1865-73 Дж. К. Максвеллом (J. С. Maxwell), позднее - в квантовой электродинамике. Термин поляризация волн был введен Малюсом применительно к поперечным механическим волнам Для получения поляризованного света и его обнаружения существуют специальные физические приборы, называемые в первом случае поляризаторами, а во втором анализаторами. Обычно они устроены одинаково.Существует.несколько способов получения и анализа поляризованного света. 1. Поляризация при помощи поляроидов. Поляроиды представляют собой целлулоидные пленки с нанесенным на них тончайшим слоем кристалликов сернокислого нодхинина. Применение полярой^ дов является в настоящее время наиболее распространенным способом поляризации света. 2. Поляризация посредством отражения. Если естественный луч света падает на черную полированную поверх ность, то отраженный луч оказывается частично поляризованным. В качестве поляризатора и анализатора может быть употреблено зеркальное или достаточно хорошо отполированное обычное оконное стекло, зачерненное с одной стороны асфальтовым лаком.Степень поляризации тем больше, чем правильнее выдержан угол падения. Для стекла угол падения равен 57°. 3. Поляризация посредством п р е л о м л е н и я. Световой луч поляризуется не только при отражении, но и при преломлении. В этом случае в качестве поляризатора и анализатора используется стопка сложенных вместе 10—15 тонких стеклянных пластинок, расположенных к падающим на них световым лучам под углом в 57°. Призма Николя (сокр. николь) — поляризационное устройство, в основе принципа действия которого лежат эффекты двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения.Призма Николя представляет собой две одинаковые треугольные призмы из исландского шпата, склеенные тонким слоем канадского бальзама. Призмы вытачиваются так, чтобы торец был скошен под углом 68° относительно направления проходящего света, а склеиваемые стороны составляли прямой угол с торцами. При этом оптическая ось кристалла (AB) находится под углом 64° с направлением света. Апертура полной поляризации призмы составляет 29°. Особенностью призмы является изменение направления выходящего луча при вращении призмы, обусловленное преломлением скошенных торцов призмы. Призма не может применяться для поляризации ультрафиолета, так как канадский бальзам поглощает ультрафиолет.Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча — обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации (AO) и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации (АE). После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение о плоскость склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы. Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера. Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году. Закон Брюстера: , где n12 — показатель преломления второй среды относительно первой, θBr — угол падения (угол Брюстера). При отражении от одной пластинки под углом Брюстера интенсивность линейно поляризованного света очень мала (около 4% от интенсивности падающего луча). Поэтому для того, чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет, прошедший в стекло, в плоскости, параллельной плоскости падения) применяют несколько скрепленных пластинок, сложенных в стопу – стопу Столетова. Легко проследить по чертежу происходящее. Пусть на верхнюю часть стопы падает луч света. От первой пластины будет отражаться полностью поляризованный луч (около 4% первоначальной интенсивности), от второй пластины также отразится полностью поляризованный луч (около 3,75% первоначальной интенсивности) и так далее. При этом луч, выходящий из стопы снизу, будет все больше поляризоваться в плоскости, параллельной плоскости падения, по мере добавления пластин.Понятие полного преломления имеет важное значение для радиосвязи: большинство штыревых антенн излучает именно вертикально поляризованные волны. Таким образом, если волна падает на поверхность раздела (землю, воду или ионосферу) под углом Брюстера, отраженной волны не будет, соответсвенно канал будет отсутствовать. Закон Малюса — зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора, где I0 — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора.Свет с иной (не линейной) поляризацией может быть представлен в виде суммы двух линейно-поляризованных составляющих, к каждой из которых применим закон Малюса. По закону Малюса рассчитываются интенсивности проходящего света во всех поляризационных приборах, например в поляризационных фотометрах и спектрофотометрах. Потери на отражение, зависящие от и не учитываемые законом Малюса, определяются дополнительно. Оптически активные вещества, среды, обладающие естественной оптической активностью. О.-а. в. подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке). Кристаллы О.-а. в. всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы, см. Энантиоморфизм). Оптической активности правой и левой форм О.-а. в. 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы О.-а. в. 1-го типа). Вращение плоскости поляризации света - объединённая общим феноменологич. проявлением группа эффектов, заключающихся в повороте плоскости поляризации поперечной волны в результате взаимодействия с анизотропной средой. Наиб. известностью пользуются эффекты, связанные с В.п.п. света, хотя аналогичные явления наблюдаются и в др. областях спектра эл.-магн. волн (в частности, в СВЧ-диапазоне), а также в акустике, физике элементарных частиц и т. д.В. п. п. обычно обусловлено различием коэф. преломления среды для двух циркулярно поляризованных (по правому и левому кругу) волн (т.н. циркулярной анизотропией) и описывается в общем случае аксиальным тензором второго ранга, связывающим аксиальный вектор угла поворота плоскости поляризации с полярным волновым вектором . В среде, обладающей только циркулярной анизотропией, линейно поляризованная волна может быть разложена на две нормальные циркулярно поляризованные волны равной амплитуды (см. Нормальные колебания ),разность фаз между к-рыми определяет азимут плоскости поляризации суммарной волны В однородных средах, обладающих циркулярной анизотропией, угол В. п. п. линейно зависит от длины пути в среде. Циркулярная анизотропия может быть как естественной (спонтанной, присущей среде в невозмущённом состоянии), так и искусственной, индуцированной внеш. воздействием. Во втором случае циркулярная асимметрия может быть обусловлена асимметрией возмущающего воздействия или совокупными симметрийными свойствами среды и возмущения Угол поворота. Луч света может быть естественным и поляризованным. В естественном луче света колебания вектора происходит неупорядоченно. Поляризованные лучи света в свою очередь подразделяются на линейно-поляризованные, когда колебания происходят по прямой, перпендикулярной к лучу; поляризованные по кругу, когда конец вектора описывает окружность в плоскости, перпендикулярной к направлению луча, и эллиптически-поляризованные, в которых колебания совершаются по эллипсу. Плоскость, в которой происходят колебания в плоско-поляризованном луче, называется плоскостью колебания. Плоскость, проходящая через направление поляризованного луча и перпендикулярная к плоскости колебания, называется плоскостью поляризации. Световые волны с помощью приборов-поляризаторов (поляроид, пластинка турмалина, николь и др.) могут быть поляризованы. Устройство поляриметра-сахариметра Простейшей установкой для наблюдения поворота плоскости поляризации является система поляризатор-анализатор. Если при скрещенных поляризаторе и анализаторе ввести между ними оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Для восстановления исходной освещенности поля зрения надо повернуть анализатор на некоторый угол, который, очевидно, будет равен углу поворота плоскости колебаний вещества.Поляризатор П и анализатор А скрещены и установлены неподвижно. Q1 и Q2 в совокупности образуют компенсационное устройство: при раздвижении клиньев Q2 уменьшается толщина левовращающего кварца и плоскость колебаний луча, прошедшего через компенсатор, поворачивается вправо.Поляризатор в данном приборе представляет собой двойную призму Николя, состоящую их двух никелей, склеенных боковыми вертикальными гранями. Плоскости пропускания призм несколько повернуты у одной в правую, у другой в левую сторону. Вследствие этого плоскости колебания лучей, прошедших через ту и другую призмы образуют небольшой угол (рис.4). При отсутствии оптически активного вещества в кювете и при установке прибора на нуль обе половины поля зрения одинаково затемнены (так как в этом случае анализатор пропускает лишь световые колебания направления aa΄). При наличии раствора сахара в кювете плоскости колебаний лучей повернутся на некоторый угол и яркости полей зрения станут одинаковыми. При помощи компенсирующего устройства плоскость aa΄ можно также повернуть на угол α и тогда яркости обеих половинок поля зрения опять сравняются. Угол поворота плоскости aa΄ непосредственно измеряется по шкале прибора. Приборы описанного типа называются полутеневыми, в них установка анализатора осуществляется по чрезвычайно чувствительному для глаза уравнения яркостей двух полей зрения. Зависимость угла вращения плоскости поляризации от концентрации жидкости должна быть линейной. В проверке этой зависимости и заключается цель настоящей работы. Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах Способ измерения концентрации оптически активных веществ в растворах по углу поворота плоскости поляризации, включающий пропускание модулированного плоскополяризованного излучения через исследуемый раствор, сбор пропущенного излучения на три поляроида-анализатора с фотоприемниками, при этом первый и второй поляроиды-анализаторы развернуты симметрично относительно плоскости плоскополяризованного излучения, поступающего в раствор, а третий поляроид-анализатор ориентирован так же, как поляроид источника плоскополяризованного излучения, усиление сигналов с трех фотоприемников, синхронное детектирование, перевод в цифровую форму и обработку, получение значений сигналов R1, R2, R3 - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы, отличающийся тем, что дополнительно получают значения сигналов W1, W2, W3 - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части установлены поляроиды-анализаторы; значения сигналов Р1, Р2, Р3 - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда установлена кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов; значения сигналов V1, V2, V3 - на выходе первого, второго и третьего синхронных детекторов соответственно, когда отсутствует кювета с исследуемым раствором и на приемной части нет поляроидов-анализаторов. Квантовая биофизика Давление света, давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Давление света впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Давление света даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см. Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Давление света Для обнаружения Давление света Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги В. Перемещение зеркал S1, S4 давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Давление света на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Давление света на газы, что было ещё труднее, так как Давление света на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела. Масса и импульс фотона. Давление света. Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона ε0=hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии (см. (m=E/c2)): Фотон - элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света c и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Импульс фотона получим, если в общей формуле () теории относительности положим массу покоя фотона : Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. Согласно квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс. Давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность, Дифракция электронов — процесс рассеяния электронов на совокупности частиц вещества, при котором электрон проявляет свойства, аналогичные свойствам волны. При выполнении некоторых условий, пропуская пучок электронов через материал можно зафиксировать дифракционную картину, соответствующую структуре материала. Процесс дифракции электронов получил широкое применение в аналитических исследованиях кристаллических структур металлов, сплавов, полупроводниковых материалов.Дифракция электронов на двух щелях - процесс возникновения на экране или фотопластинке картины аномального распределения освещённости, аналогичной дифракционной картине при дифракции света. Дифракционная картина - картина возникающая на экране или фотопластинке при размещении между электронной пушкой и экраном препятствия с двумя щелями. В случае, когда открыта только одна щель, почернение пластинки наблюдается только прямо напротив щели. Когда же открыты обе щели, картина выглядит так, как показано на рисунке, в правой его части.Твёрдо установленным является тот факт, что каждый электрон проходит только через одну щель. Также не подлежит сомнению, что дифракция электронов наблюдается только при обеих открытых щелях и, является не зависимой от частоты пролёта электронов сквозь щели. Дифракция электронов представляет собой сочетание результатов трёх физических процессов. 1. Попадание электронов в экран строго за щелями, и соответствующее потемнение экрана.. 2. Возникновение волн Де Бройля при пролёте сквозь щели электронов. 3. Дифракция возникающих из-за пролёта электронов волн Де Бройля и появление соответствующей этому картины потемнения фотопластинки (подробности на странице электромагнитные волны - определения, описания и свойства). Квантовая механика объясняла дифракцию электронов возниковением неопределённости в угле отклонения электрона, при пролёте им сквозь щель. Ранее мы показали, что никакой неопределённости здесь нет. Если Вы поняли объяснения даваемые на страницах дифракция и интерференция, то и в понимании процесса дифракции электронов у Вас не должно возникнуть затруднений. Волны де Бройля – волны, связанные с любой движущейся материальной частицей. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна, причём длина этой волны даётся формулой = h/р, где h = 6.6.10-34 Дж.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля (в честь французского физика-теоретика Луи де Бройля, впервые высказавшего гипотезу о таких волнах в 1923 г.). Если частица имеет массу m и скорость v << с (с – скорость света), то импульс частицы р = mv и дебройлевская длина волны связаны соотношением = h/mv. Волновые свойства макроскопических объектов не проявляются из-за малых длин волн. Так для тела массой 200 г, движущегося со скоростью 3 м/сек, длина волны 10-31 см, что лежит далеко за пределами наблюдательных возможностей. Однако для микрочастиц длины волн лежат в доступной наблюдению области. Например, для электрона, ускоренного разностью потенциалов 100 вольт, длина волны 10-8 см, что соответствует размеру атома. ФотометриЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от ~0,38 до ~0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью. Фотометрические величины - сила света, освещенность, световой поток, яркость, коэффициент пропускания и коэффициент отражения. Кандела (кд). Кандела - единица силы света; основная единица системы СИ. Кандела равна силе света в заданном направлении источника с точно установленными параметрами. Коэффициент пропускания. Коэффициент пропускания - отношение потока излучения, вышедшего из слоя вещества, к потоку падающего на него излучения. Люкс (лк). Люкс - в СИ - единица освещенности; освещенность, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 кв.м. Люмен (лм). Люмен - в СИ - единица измерения светового потока. Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником света 1 кд в телесном угле, равном 1 ср. Освещенность. Освещенность - величина светового потока, падающего на единицу поверхности. Освещенность измеряется в люксах. Светимость - величина светового потока, испускаемого единицей поверхности. Единицами светимости являются люкс и фот. Световой поток - полное количество света, проходящее через некоторую поверхность в единицу времени. Единицей светового потока является люмен. Сила света - интенсивность светового потока, приходящаяся на единицу телесного угла (стерадиан). Фотоэффект - испускание электронов веществом при поглощении им квантов эл.-магн. излучения (фотонов). Ф. был открыт Г. Герцем (G. Hertz) (1887). Открытие и исследование Ф. сыграло важную роль в эксперим. обосновании квантовой теории. Только на основе гипотезы о квантовании энергии эл.-магн. поля, проявляющемся в процессах испускания и поглощения света, А. Эйнштейну (1905) удалось объяснить осн. закономерности Ф.: независимость макс. кинетич. энергии фотоэлектронов от интенсивности света, линейную зависимость от его частоты со и существование граничной (мин.) частоты w0 (пороговой энергии ) Ф. Свободный электрон не может поглотить фотон, т. к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса р. Это видно уже из того, что для оптич. перехода свободного электрона из состояния , p1 в состояние , р2 в отсутствие 3-го тела (конденсир. среды, атома или рассеянного фотона) законы сохранения энергии и импульса , p2-p1=/c несовместимы ни при какой скорости электрона u<c. В конденсир. среде связь электрона с окружением характеризуется работой выхода Ф. Согласно ур-нию Эйнштейна, кинетич. энергия фотоэлектрона . При темп-ре T=0 К и не очень высокой интенсивности света, когда многофотонные процессы практически отсутствуют, Ф. возникает только при >=Ф. По установившейся терминологии, Ф. в конденсир. среде наз. фотоэлектронной эмиссией, а переход электрона из одного из связанных состояний в атоме или молекуле в непрерывный спектр наз. Фотоионизацией. Законы фотоэффекта. Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света. Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v0 , то фотоэффект уже не происходит. Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории. Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов( фотонов) с энергией hv каждый ( h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: Hv=A+mv2 / 2 , где mv2 -максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена: mv2/2=eU 3 . U 3 - задерживающее напряжение. Ур-е Эйнштейна. А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой v не только испускается, как это предполагал Планк (см. § Формулы Рэлея – Джинса и Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε0=hv. Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов. По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода A из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии: Уравнение называется уравнением Эйнштейна дня внешнего фотоэффекта. Фотобиологические процессы происходят в результате воздействия света на организм. Важнейшими Ф. п. у растений являются фотосинтез (синтез органических молекул за счет энергии солнечного света), фототаксис (движение организмов, например бактерий, к свету или от света), фототропизм (поворот листьев или стеблей растений к свету или от света), фотопериодизм (регуляция суточных и годовых циклов жизни путем циклических воздействий свет — темнота). У человека и животных к Ф. п. относят зрение, фотопериодизм и др. У животных фотопериодически регулируются сезонные и годичные ритмы роста, размножения, запасания жира, линек, миграций и т.д. Под действием Уф-излучения происходит образование в организме витамина D из провитаминов. Пигментация кожи (загар) — защитный Ф. п., приводящий к образованию меланина. Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Для возникновения люминесценции требуется, следовательно, какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям – телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура,химические реакции и др. Вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряжённые системы), обладают самой сильной люминесценцией. Антрацен, нафталин, белки, содержащие ароматические аминокислоты и некоторые простетические группы, многие пигменты растений и в частности хлорофилл, а также ряд лекарственных препаратов обладают ярко выраженной способностью к люминесценции. Органические вещества, способные давать люминесцирующие комплексы со слабо люминесцентными неорганическими соединениями, часто используются в люминесцентном анализе. Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды: фотолюминесценция — свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на флуоресценцию (время жизни 10-9-10-6 с); фосфоресценцию (10-3-10 с); хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций; катодолюминесценция — вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами); сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты; рентгенолюминесценция — свечение под действием рентгеновских лучей. радиолюминесценция — при возбуждении вещества γ-излучением; триболюминесценция — люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями — свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора. электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определенные типы люминофоров. В настоящее время наиболее изучена фотолюминесценция. По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, радиолюминесценцию, рентгенолюминесценцию, электролюминесценциюфотолюминесценцию, хемилюминесценцию, триболюминесценцию. По длительности люминесценции различают флуоресценцию, (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение). Флюориметрия (люминесцентный анализ) — определение концентрации вещества по интенсивности флюоресценции, возникающей при облучении вещества ультрафиолетовыми лучами. При соответствующих условиях этим путём можно обнаружить наличие ничтожных количеств вещества. Люминесцентный анализ делится на макроанализ — при наблюдении невооруженным глазом, и микроанализ, когда наблюдение производится при помощи микроскопа.Флюориметрия— метод установления количества люминесцирующего вещества по интенсивности возникающей при определенных условиях люминесценции. При этом предполагается, что существует определенная зависимость между интенсивностью люминесценции и концентрацией вещества. Флуориметрические методы, принципиально ничем не отличаясь от фотометрических и представляя лишь разновидность оптических методов, однако, имеют и свои специфические особенности. Успешное выполнение флуориметрических определений требует строгого соблюдения ряда условий. Далее, если для фотометрических измерений не требуется слишком строгой стабилизации источников света, так как обычно приборы построены по дифференциальной схеме, то в случае флуориметрических измерений условия стабильности источника света приобретают первостепенное значение, так как в силу некоторых технических трудностей обычно нельзя построить прибор (флуориметр) по двухлучевой схеме. Кроме того, в отличие от фотометрических измерений, требующих линейного расположения источника света, объекта и приемника света, флуориметрические измерения допускают построение приборов с различным расположением источников света, образца и приемников света. А это, в свою очередь, влияет на зависимость интенсивность излучения концентрация вещества. Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Закон выражается следующей формулой: ,где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — показатель поглощения (часто неправильно именуется коэффициентом поглощения). Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества. История открытия закона Закон Бугера — Ламберта — Бера экспериментально открыт французским учёным Пьером Бугером в 1729 году, подробно рассмотрен немецким учёным И. Г. Ламбертом в 1760 году и в отношении концентрации C проверен на опыте немецким учёным А. Бером в 1852 году. Поглощение света растворами Для растворов поглощающих веществ в непоглощающих растворителях показатель поглощения может быть записан как ,где — коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества со светом длины волны λ, C — концентрация растворённого вещества. Утверждение, что χλ не зависит от C, называется законом Бера (не путать с законом Бэра). Его смысл состоит в том, что способность молекулы поглощать свет не зависит от состояния других окружающих молекул. Однако наблюдаются многочисленные отклонения от этого закона, особенно в случае больших концентраций C. Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t). Особенно широко Оптическая плотность пользуются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины - денситометрии. Оптическая плотность зависит от набора частот n (длин волн l), характеризующего исходный поток; её значение для предельного случая одной единственной n называется монохроматической Оптическая плотность Коэффициент направленного пропускания света (t) — отношение значения светового потока, нормально прошедшего сквозь образец (Фt), к значению светового потока, нормально падающего на образец (Ф0), отношение переданной мощности к мощности падающего излучения для данных условий спектрального состава, поляризации и геометрического распределения. Величина света, которая просачивается через поверхность материала, определяется коэффициентом пропускания, а количество, которое полностью растворяется в материале — коэффициентом поглощения. Количественные параметры данных трёх коэффициентов — отражения, пропускания и поглощения — могут отличаться различыми характеристиками, но отметим, что абсолютно во всех ситуациях общая сума всех коэффициентов равна единице. В реальности не существует ни одного элемента, который имел бы даже один из трех коэффициентов равный единице. Самое большое диффузное отзеркаливание характерно для только что выпавшего снег, химически абсолютно стерильные сернокислый барий и окись магния. Самое хорошее зеркальное отражение у полированного серебра без каких бы то ни было примесей и у профессионально отшлифованного алюминия. Мощность коэффициента проникновения пишется в разнообразных справочниках для какой-либо ширины материала (часто для 1 см). К самым прозрачным элементам следует причислить особо чистый кварц и пару-тройку видов полиметилметакрилата (иначе называемого - органического стекла). Для них характерно теоретическое (реально не имеющее место быть!) вещество с коэффициентом растворения в материале измеряемым 1, именуется «абсолютно черным телом». Наряду с отражением, пропускание света создаётся устремлённым (у органических либо силикатных стекол, поликарбоната, кварца, полистирола и т.п.), диффузным или рассредоточенным ( к примеру, у стекла молочного типа), направленно-рассеянным (у стекол матированного типа) и смешанным. Колориметрия так называется один из способов количественного определения содержания веществ в растворах; методы К. применимы к количественному определению всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут быть, с помощью какой-либо реакции, превращены в растворе в окрашенное соединение. Колориметрические методы основываются на фотометрическом сравнении густоты окраски исследуемого раствора, рассматриваемого в пропущенном свете, с окраской нормального раствора, содержащего определенное количество этого красящего вещества, или же с окраской некоторой эмпирически подобранной окрашенной середины, принятой за норму. В основе К. лежат следующие положения: 1) светопоглощающая сила раствора окрашенного вещества в бесцветном растворителе растет пропорционально концентрации и толщине слоя жидкости, следовательно: 2) если приготовить два раствора разной концентрации того же красящего вещества в том же бесцветном растворителе, и найти такой толщины слои их, что рассмотренные в пропущенном свете они дадут одну силу света и окраски, то толщины этих слоев обратно пропорциональны содержанию в них красящего вещества. Всякое фотометрическое сравнение сводится к определению условий, при которых наступает равенство двух освещений, поэтому и в К., рассматривая свет, прошедший через слой нормальной жидкости, и свет, проходящий через слой исследуемой жидкости, мы меняем эти слои до тех пор, пока не получим равенства в силе пропущенного света Устройство и принцип работы фотоэлектроколориметра предназначен для определения концентрации вещества в окрашенных растворах по их оптической плотности или коэффициенту светопропускания. В качестве источника света в КФК-2 используется лампа накаливания (1). Световой поток от лампы накаливания проходит через диафрагму (2), объектив (3), усиливающий свет в 10 раз, и светофильтр (4).В КФК-2 имеется набор светофильтров. Использование конкретного цветового светофильтра позволяет пропускать через раствор лучи определенной длины волны, поглощение которых характерно для исследуемого вещества. Обычно эффективная длина волны и цвет светофильтра указывают в используемом методе. Световой поток, пройдя через светофильтр и кювету с раствором (5), падает на приемник света (6, 7) фотоэлемент Ф-26 (в области спектра 315-540 нм) или фотодиод (в области спектра 590-980 нм). В фотоприемниках световая энергия преобразуется в электрическую, изменение количества которой отражает микроамперметр (9). Показания микроамперметра пропорцио- нальны силе светового потока, прошедшего через исследуемый раствор. Радиационная биофизика Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9?1014 — 3?1016 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380—200 нм) и дальний, или вакуумный (200—10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами. Многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также «актиническим излучением».Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце. Виды ультрафиолетового излучения Наименование Длина волны, нм Количество энергии на фотон Ближний NUV 400 нм — 300 нм 3.10 — 4.13 эВ СреднийMUV 300 нм — 200 нм 4.13 — 6.20 эВ Дальний FUV 200 нм — 122 нм 6.20 — 10.2 эВ Экстремал.EUV, XUV 121 нм — 10 нм 10.2 — 124 эВ ВакуумныйVUV 200 нм — 10 нм 6.20 — 124 эВ Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, UVA 400 нм — 315 нм 3.10 — 3.94 эВ Чёрный свет Ультрафиолет B (средний диапазон) UVB 315 нм — 280 нм 3.94 — 4.43 эВ Ультрафиолет С, коротковолновой, UVC 280 нм — 100 нм 4.43 — 12.4 эВ Биолог. действие УФ. Повышает тонус симпатико-адреналовой системы, активирует защитные механизмы, повышает уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает секрецию ряда гормонов. Под воздействием УФ излучения (УФИ) образуются гистамин и подобные ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, повышают проницаемость кожных сосудов. Изменяется углеводный и белковый обмен веществ в организме. Действие оптического излучения изменяет легочную вентиляцию — частоту и ритм дыхания; повышается газообмен, потребление кислорода, активизируется деятельность эндокринной системы. Особенно значительна роль УФ излучения в образовании в организме витамина Д, укрепляющего костно-мышечную систему и обладающего антирахитным действием. Особо следует отметить, что длительная недостаточность УФИ может иметь неблагоприятные последствия для человеческого организма, называемые «световым голоданием». Наиболее частым проявлением этого заболевания является нарушение минерального обмена веществ, снижение иммунитета, быстрая утомляемость и т. п. Действие ультрафиолетового облучения на кожу, превышающее естественную защитную способность кожи (загар) приводит к ожогам.Длительное действие ультрафиолета способствует развитию меланомы, различных видов рака кожи, ускоряет старение и появление морщин. Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при интенсивном облучении вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки). Рентген. Излучение. X-лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10-5нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью. Рентгеновские лучи возникают, когда быстрые электроны, или катодные лучи, сталкиваются со стенками или анодом газоразрядной трубки низкого давления. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумизированный стеклянный баллон с расположенными в нем катодом и анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт. Катод представляет собой вольфрамовую нить, подогреваемую электрическим током. Это приводит к испусканию катодом электронов в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии. Они достигают анода с очень большой скоростью. Рентгеновские лучи возникают всегда, когда движущиеся с высокой скоростью электроны тормозятся материалом анода. Большая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла. Поэтому аноде необходимо искусственно охлаждать. Анод в рентгеновской трубке должен быть сделан из металла, имеющего высокую температуру плавления, например, из вольфрама. Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода. Есть два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Рентгеновская трубка, электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Излучение Р.т. представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристическое излучение вещества анода (см. Рентгеновские лучи). Р. т. различают: по способу получения потока электронов — с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом, катодом, подвергаемым бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным (b) источником электронов; по способу вакуумирования — отпаянные, разборные; по времени излучения — непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода — с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) — макрофокусные, острофокусные и микрофокусные; по его форме — кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод — с электростатической, магнитной, электромагнитной фокусировкой. Два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии. Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. Характеристическое рентгеновское излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр. 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. Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода. Поглощение рентгеновского излучения веществом При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера. В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей. Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z=20 для кальция и Z=15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п. Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z=56 для бария). Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53. Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z для которого равна 82. Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма: 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. 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. Применение рентгеновского излучения в медицине Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии. Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов. Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд. В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.
|