2. гармонические колебания

Гармоническое колебание — явление периодического изменения какой-либо величины, при котором зависимость от аргумента имеет характер функции синуса или косинуса. Например, гармонически колеблется величина, изменяющаяся во времени следующим образом:

x(t) = Asin(ωt + φ)

x(t) = Acos(ωt + φ),

где х — значение изменяющейся величины, t — время, остальные параметры - постоянные: А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний, (ωt + φ) — полная фаза колебаний,  — начальная фаза колебаний.

Обобщенное гармоническое колебание в дифференциальном виде

3.затухающие колебания, логарифмический декремент затухания

Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

(d2x/dt2 )+ 2β(dx/dt) + ω02 x = 0   (7)

  Получили уравнение второго порядка затухающих колебаний. Решение этого уравнения существенно зависит от знака разности ω2= ω02 – β2, где ω циклическая частота затухающих колебаний.

При  ω02 – β2>O решение записывается в следующем виде:

X=A0e-βt cos(ωt +φ0)     (8), где

 (A0e-βt) - амплитуда затухающих колебаний, которая изменяется по экспоненциальному закону.

Период затухающих колебаний  Т=2π/ω=.

При очень малом трении    (ω02 >> β2)     Т=2π/ω0.

Быстрота убывания амплитуды колебаний определяется коэффициентом затухания β: чем больше β, тем сильнее торможение.

На практике степень затухания характеризуют логарифмическим декрементом затухания

λ =ℓn  =ℓn  = ℓn e βt= βt

λ=  βt     (9)

При сильном затухании  (β2>ω02) период является мнимой величиной, а колебания апериодическими.

4.вынужденные колебания. Резонанс.автоколебания

Вынужденными называют колебания, которые возникают в системе при участии внешних сил, изменяющихся по периодическому закону.

Резонанс – явление достижения максимальной амплитуды вынужденных колебаний при заданных ω0 – циклической частоты собственных колебаний и  β – коэффициента затухания.

. Резонансная частота (14), амплитуда Арез=f0/2β

Существуют колебательные системы, которые сами регулируют периодическое восполнение затраченной энергии. Незатухающие колебания, существующие в таких системах, называются автоколебаниями. Амплитуда и частота  автоколебаний зависит от свойств самой системы. Примеры: в технике часы, генераторы электромагнитных колебаний; в биологии – сердце, легкие и т. д..

5. уравнение волны. Поток энергии волны. Вектор умова.

Уравнение плоской волны  S= A cos(ω(t-x/ν)) (16),    где S – смещение,  колеблющейся точки, ω – циклическая частота колебаний; t- время распространения волны; x- координата точки, до которой  дошла волна,

ν – скорость ее распространения.

Длина волны  λ – расстояние между двумя точками, фазы колебания которых в одно и то же время отличаются на 2π или -  путь, пройденный волной за время равное периоду колебаний.     λ=Τν    (17).

Фазовой скоростью называют скорость распространения фазы колебаний. Если реальная волна является группой гармонических волн, то говорят о групповой скорости.

Потоком энергии  называют энергию, переносимую через поверхность в единицу времени. Ф=dE/dt  (18)  [Ф] = Вт

Ф = sν   -    = Е/V– объемная плотность энергии.

6.эффект Доплера.  Определение скорости кровотока

При относительном движении источника и приемника механических волн (звука)  происходит изменение частоты волны воспринимаемой приемником (наблюдателем). Это явление получило название эффект Доплера. 

, где - воспринимаемая приемником частота;

– излучаемая частота; – скорость волны (звука);  н – скорость наблюдателя; и – скорость источника. Верхние знаки  применяют при сближении объектов, а нижние при их удалении.

В медицине эффект Доплера  используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардия).

Пример: определение скорости кровотока.

Генератор ультразвука совмещают с приемником (техническая система) и помещают в сосуд с движущейся кровью (аорту, артерию и т. Д.).

В среде движется  объект (эритроциты) со скоростью ν0 равной скорости  кровотока и направленной к технической системе. Генератор излучает УЗ с частотой υг , распространяющийся со скоростью 0ν.   Объект воспринимает уже частоту  υ1 =((ν + 0 )/ν)υг  и отражает ее назад  к технической системе. Приемник воспринимает частоту

 =(ν/ (ν – 0))υ1  ==(ν/ (ν – 0)) ((ν + 0 )/ν) υг =((ν + 0 )/(ν – 0)) υг

Доплеровский сдвиг частот  ∆υ

∆υ=υD = – υг=((ν + 0 )/(ν – 0)) υг – υг = (20 /(ν –0))υг. При определении скорости кровотока ν >> 0   => ∆υ=υD = (20 /ν)υг 

1.  Звук. Виды звука.

      Звук - механические колебания  и волны,  распространяющиеся в упругих средах в виде продольных волн с частотой от 16 Гц до 20000 Гц и воспринимаемые человеческим ухом.

      Существующие в природе звуки разделяются на несколько видов.

      Звуковой удар -  это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

      Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым (чистым), характеризующимся гармоническим колебанием одной частотой (камертон, звуковой генератор), и сложным   (ангармоническим), издаваемым аппаратами  речи и звуковыми инструментами.

      Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона в акустический спектр). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, а остальные – обертонам, или гармоникам. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.

      Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).

2. Физические характеристики звука.

      Звук распространяется в любых средах, кроме вакуума. Звук характеризуется следующими физическими характеристиками:

     А. Скорость  (v)звука -  зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний.

      Скорость звука в воздухе  v = 330 м/с; в воде v =1500 м/с; близкое к этому значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма; в твердых средах (кость)  v = 4000 м/с.

     Б. Частота звука (ν) – это число колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в секунду,.

     В. Интенсивность (I) – это энергетическая характеристика звука. По определению – это плотность потока энергии звуковой волны или энергия, переносимая волной в единицу времени  через единицу поверхности. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

      Порог слышимости - минимальная интенсивность восприятия звука человеческим ухом.       Порог болевого ощущения -  интенсивность звука, вызывающая ощущение боли или очень сильного давления 

     Г. Звуковое давление (Р) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

            Д. Волновое сопротивление среды (Rа) - произведение плотности среды (ρ) на скорость распространения звука (v). (Rа =  ρ v). Волновое сопротивление среды - характеристика среды, определяющая условия распространения звуковых волн и поведения их при отражении и преломлении на границе двух слов.

      При падении звуковой волны на границу раздела между двух сред возникают явления отражения и преломления звука. Интенсивности отраженной и преломленной волн зависят от соотношения волновых сопротивлений сред.

      Интенсивность отраженной волны зависит от коэффициента отражения.

     Е. Уровень интенсивности (L). При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности: L = lg (I/I0) = 2 lg (P/P0)

Единицей интенсивности является  - бел, [Б].

3. Характеристики слухового ощущения.

      Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными (физическими) характеристиками звуковой волны.

      Воспринимаемые звуки человек различает их по тембру, высоте, громкости.  

      Тембр – «окраска» звука и определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.

      Высота тона – субъективная оценка звукового сигнала, зависящая от частоты звука и его интенсивности. Чем больше частота, главным образом, основного тона, тем больше высота воспринимаемого звука. Чем больше интенсивность,  тем ниже высота воспринимаемого звука.

      Громкость – также субъективная оценка, характеризующая уровень интенсивности.

      Громкость главным образом зависит от интенсивности  звука. Однако восприятие интенсивности зависит от частоты звука. Звук большей интенсивности одной  частоты   может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты.

      Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков

(16 – 20.103 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, при которой ухо еще реагирует на звук. Кроме того, для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т.е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах.

Аудиометрия – метод измерения пороговой интенсивности  восприятия звука для разных частот. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения на разных частотах:

Lп = 10 lg (Iп/I0),

где  Iп – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения  у  испытуемого. Получают кривые – аудиограммы, которые отражают зависимость порога восприятия от частоты тона, т.е. это спектральная характеристика уха на пороге слышимости.

      Аудиограмма в зависимости от характера заболевания имеет вид, отличный от аудиограммы здорового уха.

      Шумомеры – приборы для измерения уровня громкости. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости регистрируется стрелочным  или цифровым измерительным прибором.

закон Вебера-Фехнера. Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое значение).

      Применительно к звуку это формулируется так: если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например, а I0 , а2 I0, 

а3 I0 ,….(а - некоторый коэффициент, а > 1) и т.д., то им соответствуют ощущения громкости звука  Е0, 2 Е0,  3 Е0 ….. Математически это означает, что уровень громкости звука пропорционален десятичному логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражителя с интенсивностями I  и I0, причем I0 – порог слышимости, то согласно закону Вебера-Фехнера уровень громкости  Е и интенсивность I0  связаны следующим образом:

Е= k lg (I / I0),

где  k – коэффициент пропорциональности.

      Если бы коэффициент k  был постоянным, то следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале уровней громкостей. В этом случае уровень громкости звука так же, как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы: Е= k lg(I / I0).

      Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы уровней громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и ЕБ=  lg (I / I0). Чтобы различить шкалы громкости и интенсивности звука, децибелы шкалы уровней громкости называют фонами (фон).

Еф= 10 k lg(I / I0)

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук

со звуком  частотой 1 кГц.

Физика слуха: звукопроводящая и звукопринимающая части слухового аппарата. Теории Гельмгольца и Бекеши.

     Физика слуха связана с функциями наружного среднего и внутреннего уха

      По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звукопринимающую части. звукопроводящая  Наружное ухо: ушная раковина, наружный слуховой проход, барабанная перепонка, система косточек, улитка. Звукопринимающая внутреннее ухо базилярная мембрана, рецепторы, разветвление слухового нерва

Основная мембрана весьма интересная структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду построенных струн пианино. По Гельмгольцу, каждый участок базилярной мембраны резонировал на определенную частоту. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонансной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна (7 рис.4) распространяется волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц  до начала затухания распространяется приблизительно на 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

     Согласно современным представлениям восприятие высоты тона определяется положением максимума колебаний основной мембраны. Эти колебания, воздействуя на рецепторные клетки кортиева органа, вызывают возникновение потенциала действия, который по слуховым нервам передается в кору головного мозга. Головной мозг окончательно обрабатывает поступающие сигналы.

9. вязкость жидкостей, уравнение ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

При  течении реальной жидкости слои этой жидкости воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям. Это явление называют внутренним трением. (вязкостью) 

Fтр= η (dν/dx)S    (4.1) – уравнение Ньютона.

η  - коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость, или просто вязкость. Вязкость η  зависит от состояния и молекулярных свойств жидкости.

Единица вязкости:  в системе СИ     [η]= Па·c  

                                 в системе СГС    [η]= П  (Пуаз)       1 Па•с =10 П

Если вязкость не зависит от градиента скорости, то жидкость называют ньютоновской и она подчиняется уравнению 4.1. Если градиент скорости    зависит от вязкости жидкости, то они не подчиняются уравнению (4.1) Ньютона и называются неньютоновскими. Вязкость ньютоновских жидкостей называют нормальной, а неньютоновских -аномальной.

Жидкости, состоящие из сложных и крупных молекул и образующих пространственные структуры, являются неньютоновскими. Их вязкость велика, так как при течении работа внешних сил затрачивается не только на преодоление сцепления между молекулами (ньютоновская вязкость), но и на разрушение структур. Кровь является неньютоновской жидкостью.

Формула Пуазёйля — аналитическое выражение закона Пуазёйля (Хагена — Пуазёйля): При установившемся ламинарном движении вязкой несжимаемой жидкости сквозь цилиндрическую трубу круглого сечения секундный объёмный расход прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.

Q=(πR4/8ηℓ)(Р1 –Р2)  (4.3) - формула (закон) Пуазейля.

Если в формуле Пуазейля заменить (Р1 - Р2)/ℓ   на dP/dℓ (градиент давления), то тогда ее можно применять  для труб переменного сечения.

Q=(πR4/8η)( dP/dℓ)  (4.5).

Как показал  Стокс, при  движении тела сферической формы без создания завихрений, на него со стороны жидкости действует сила трения

Fтр= 6πηrυ (закон Стокса)   (4.6).

Если на падающий в жидкости шарик не влияют стенки сосуда, то на него действуют сила тяжести mg, сила трения Fтр, сила выталкивания FA (Архимеда).На основании второго закона Ньютона

Так как по закону Стокса сила трения пропорциональна скорости, то при падении она возрастает и в какой то момент равнодействующая сил, действующих на шарик, становится равной нулю. Тогда

- mg + FA + Fтр= 0

Сила трения    mg=ρ(4/3)πr3g

Сила Архимеда FA=(4/3)πr3ρжg

Cила Стокса  Fтр= 6πηrυ

                     -ρ(4/3)πr3g + (4/3)πr3ρжg + 6πηrυ=0

Скорость равномерного падения шарика:

υ = (2/9)(ρ-ρж)r2g/ η    (4.7)

Это позволяет также вычислить вязкость:

η = (2/9)(ρ-ρж)r2g/ υ    (4.8) или

время выпадения частичек взвеси из газов или растворов t = h/ υ:      

t=(9/2)(h η/ (ρ-ρж)r2g     (4.9).

Совокупность методов определения вязкости называется вискозиметрией. Капиллярный метод определения вязкости основан на законе Пуазейля:  V= πR4 tΔP/8ηℓ .      Откуда

η= πR4 tΔP/8ℓV. (4.10)

Б) клинические методы (капиллярные методы Освальда, Гесса).

     Приборы, с помощью которых определяют вязкость, называются вискозиметрами. Капиллярный вискозиметр Освальда изображен на рис. 1.

     Одно колено вискозиметра представляет собой капиллярную трубку. Определенный объем воды вливают в широкое колено вискозиметра, а затем с помощью груши всасывают воду в другое колено так, чтобы ее уровень  поднялся чуть выше отметки А, и, сняв грушу, наблюдают за понижением этого уровня. Когда мениск проходит метку А, включают секундомер, а при прохождении метки В выключают. Так находят время прохождения воды между метками А и В. При ламинарном течении жидкости время прохождения этого объема через капилляр l будет таким же. Так же определяют время протекания исследуемой жидкости между метками А и В. Объем исследуемой жидкости берут равным объему воды.

     Жидкости в капилляре движутся под  действием гидростатического давления:

,

     где - плотность жидкости; h – разность уровней жидкости в двух коленах вискозиметра.

     Для равных объемов жидкостей, протекающих через капилляр, можно записать:

                ,

     откуда

      или                      (2).

     Подставляя и в формулу (2), получаем

,

     откуда

                                       (3),

     где - вязкость исследуемой жидкости; - вязкость воды; - плотность исследуемой жидкости; - плотность воды; - время истечения исследуемой жидкости; - время истечения воды.

     Для изучения зависимости вязкости жидкости от температуры

вискозиметр помещают в сосуд с водой, снабженный подогревом  и измеряют вязкость жидкости при различных температурах.

В вискозиметре  Гесса, используемом в клинике для определения вязкости крови, сравнивают объемы эталонной и исследуемой жидкостей через два одинаковых капилляра.

Вискозиметр Гесса состоит из двух одинаковых капилляров А1 и А2, соединенных с ними двух неградуированных  А1′ и А2′ и двух одинаковых

градуированных В1 и В2 трубок. Втягивая воздух через резиновую трубку, заполняют капилляр А1 и трубку А1′ эталонной  жидкостью (дистиллированной водой) до отметки 0, а капилляр А2 и трубку А2′ до отметки 0 исследуемой кровью.

Втягивая воздух через трубку при открытом кране, одновременно перемещают обе жидкости, пока одна из них не достигнет отметки 10. Так как условия протекания одинаковы (дины капилляров ℓ1=ℓ2= ℓ, радиусы капилляров R1=R2= R, время протекания и перепады давления тоже одинаковые), то объемы наполнения трубок В1 и В2 будут разными вследствие различия их вязкостей. Из уравнения Пуазейля:

для крови     -    η= πR4 tΔP/8ℓV;

для воды      -    η0= πR4 tΔP/8ℓV0.

Откуда              η/η0= V0 /V

Объем крови в трубке В2  равен V=S L.

Объем воды в трубке В1 равен  V0=S L0. Тогда  η/η0= L0 / L и вязкость крови                                    η = η0L0 / L    (4.11).

Отношение вязкости крови к вязкости воды называют относительной вязкостью крови.

Вязкость крови человека в норме 4-5 мПа•с, при патологии колеблется от 1,7 мПа•с до 22,9 мПа•с, что сказывается на скорости оседания  эритроцитов (СОЭ). При тяжелой физической нагрузке вязкость крови увеличивается. Некоторые болезни изменяют вязкость крови.

12.электрический диполь: напряженность поля диполя и момент диполя.

Электрический диполь — идеализированная электронейтральная система, состоящая из точечных и равных по абсолютной величине положительного и отрицательного электрических зарядов.

Для фиксированных угловых координат (то есть на луче, идущем из центра электрического диполя на бесконечность) напряжённость статического[прим 4] электрического поля диполя или в целом нейтральной системы зарядов, имеющей ненулевой дипольный момент,[прим 5] на больших расстояниях r асимптотически приближается к виду r−3, электрический потенциал — к r−2. Таким образом, статическое поле диполя убывает на больших расстояниях быстрее, чем поле простого заряда (но медленнее, чем поле любого более старшего мультиполя).

Напряжённость электрического поля и электрический потенциал неподвижного или медленно движущегося диполя (или в целом нейтральной системы зарядов, имеющей ненулевой дипольный момент) с электрическим дипольным моментом на больших расстояниях в главном приближении выражается как:

в СИ:

где  — единичный вектор из центра диполя в направлении точки измерения, а точкой обозначено скалярное произведение.

Достаточно просты выражения (в том же приближении, тождественно совпадающие с формулами, приведенными выше) для продольной (вдоль радус-вектора, проведенного от диполя в данную точку) и поперечной компонент напряженности электрического поля:

где θ — угол между направлением вектора дипольного момента и радиус-вектором в точку наблюдения (формулы приведены в системе СГС; в СИ аналогичные формулы отличаются только множителем ). Третья компонента напряженности электрического поля — ортогональная плоскости, в которой лежат вектор дипольного момента и радиус-вектор, — всегда равна нулю.

Посмотрим, как ведет себя диполь, попав во внешнее электрическое поле. Сначала — в однородное поле с напряженностью (рис. 3).

Следовательно, в однородном внешнем электрическом поле диполь поворачивается и располагается так, чтобы его дипольный момент был ориентирован по полю. Заметим, что такое положение является положением его устойчивого равновесия.

Пусть теперь диполь находится в неоднородном внешнем поле. Разумеется, и здесь возникает вращающий момент, разворачивающий диполь вдоль поля (рис. 4). Но в этом случае на заряды действуют неодинаковые но модулю силы, равнодействующая которых отлична от нуля. Поэтому диполь будет еще и перемещаться поступательно, втягиваясь в область более сильного поля (убедитесь в этом самостоятельно).

11. Реологические свойства крови.

Кровь - неньютоновская жидкость. Ее вязкость зависит от многих факторов и меняется при переходе от одного типа сосудов к другому. Это связано с тем, что кровь представляет собой суспензию эритроцитов (93% форменных элементов) в плазме. Эритроциты образуют стуктуры -  агрегаты (форменные элементы), похожие на «монетные столбики».

Условия образования таких агрегатов в разных сосудах различны, поскольку это связано с соотношением размеров сосудов, агрегатов  и эритроцитов. В сосудах  большого диаметра доля крупных эритроцитных агрегатов велика. В  артериях, артериолах малого диаметра агрегаты распадаются на более мелкие и отдельные эритроциты, вследствие этого вязкость крови  в них уменьшается по сравнению с крупными сосулами.

Диаметр эритроцитов несколько больше диаметра капилляров. Это существенно влияет на движение, как самих эритроцитов, так и крови в целом  в капиллярах.   При движении эритроциты сильно деформируются,
а выталкиваемая к стенкам сосудов плазма способствует их  медленному продвижению.
Таким образом, применение закона Пуазейля для крови очень приблизительно. Необходимо учитывать зависимость вязкости от типа сосудов, и для какой части кровеносной системы записывается уравнение в данном конкретном случае.

14. импеданс тканей организма

Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный ток. В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность его равна нулю. Биологические клетки и, следовательно, весь организм обладают емкостными свойствами, в связи с этим импеданс тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями.

Импеданс тканей организма определяется их физиологическим состоянием. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечнососудистой деятельности. Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импедансплетизмография).

С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалограмма), сердца (реокардиограмма), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Измерения обычно проводят на частотах 20  30 кГц по мостовой схеме.

Реограф. Реоэнцефалограф

Реограф - электронное устройство, предназначенное для преобразования колебаний импеданса живой ткани или его составляющих, обусловленных пульсовыми изменениями кровенаполнения в пропорциональный электрический сигнал.

Принцип работы реографа заключается в следующем: от генератора высокой частоты реографа с помощью электродов через исследуемый орган пропускается ток высокой частоты. При этом на исследуемом участке (органе) возникает падение напряжения. Изменения кровенаполнения в исследуемом органе приводят к изменениям его импеданса и пропорциональным изменениям амплитуды высокочастотного напряжения. После усиления с помощью детектора и фильтров выделяется низкочастотная составляющая, представляющая собой реографический сигнал (реограмму) - рисунок.

Используется переменный ток с частотами 30-300 кГц, величина тока составляет 1-5 мА. Реоплетизмограф РПГ-202 -  = 40 кГц, I = 2 мА.

Реоэнцефалография - метод исследования мозгового кровообращения, основанный на измерении и записи пульсовых колебаний полного электрического сопротивления (импеданса) головного мозга при пропускании через него тока высокой частоты, слабого по силе и напряжению. Реоэнцефалограф - прибор, предназначенный для этих целей.

30. Первое начало термодинамики.

Первое начало говорит о возможности протекания процесса.

Теплота Q, подведенная к системе, идет на изменение внутренней энергии системы  ΔU и совершение системой работы A.

Q = ΔU + A        (1)

Первое начало в дифференциальной форме:

δQ = dU +δ A       (2)

δQ, δA –зависят от вида процесса и не являются полными дифференциалами;

dU – зависит только от начального и конечного состояния и является полным дифференциалом.

Q>0 и δQ>0, если теплота подводится к системе, А >0, если работа совершается самой системой.

31. Второе начало термодинамики.

Второе начало термодинамики указывает направление процесса.

Качественные формулировки второго начала термодинамики:

            - по Клаузиусу - «Невозможен процесс, единственным результатом  которого была бы передача тепла от тела менее нагретого к более нагретому»;

            - по Томсону - «Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы только за счет охлаждения одного тела».

Второе начало термодинамики – это алгоритм, который дает возможность достоверно предсказать направление процессов в любом случае. Оно формулируется в следующем виде «при переходе из одного состояния в другое наиболее вероятным изменением энтропии является ее возрастание».  

Энтропия – мера обесценивания энергии при необратимых процессах. В изолированной системе все процессы идут в направлении исчезновения градиентов (температуры, давления, потенциалов, концентрации) – градиентные процессы. Противоградиентные процессы – сопровождаются уменьшением энтропии, следовательно, не могут идти  в изолированных системах.

Энтропия – физическая величина, характеризующая меру связанной энергии системы, приходящейся на единицу температуры (1 К).

Энтропия – функция состояния системы, поскольку целиком определяется параметрами системы и не зависит от того, как система пришла в данное состояние.

Изменение энтропии при элементарном обратимом процессе  определяется выражением

ds = dQ/T       (6)

При обратимом переходе из состояния (1) в состояние (2)

Δs= Q      (7)

Для нахождения изменения энтропии при необратимом процессе, нужно рассмотреть какой либо обратимый процесс, приводящий систему в то же конечное состояние, и вычислить для этого процесса изменение энтропии.

Статистический смысл энтропии.

Энтропия – мера беспорядка в системе. По Больцману  s=k ln Pтд (8), где k – постоянная Больцмана. Pтд – термодинамическая вероятность (число возможных микросостояний, которыми может быть реализовано данное макросостояние).

32.стационарное и равновесное состояние, теорема пригожина.

Стационарным называется такое состояние открытой системы, при котором основные макроскопические параметры системы остаются постоянными. Состояние гомеостазиса биологической системы обеспечивается взаимодействием внутренней среды организма с внешним миром. Гомеостазис представляет собой  стационарное состояние организма высших животных. Термодинамическим критерием стационарного состояния является равенство нулю полного производства энтропии:

(ds/dt)=0  (29) и, следовательно, (ds/dt)i = - (ds/dt)e     (30)

Стационарное состояние существенно отличается от равновесного.

Теорема Пригожина: в стационарном состоянии производство энтропии имеет постоянное и минимальное из всех возможных значение.

Уравнение Пригожина для открытых систем

(ds/dt)= (ds/dt)i +  (ds/dt)e    (27)

При необратимых процессах, протекающих в системе,  (ds/dt)i > 0, а производство энтропии за счет обменных процессов с окружающей средой (ds/dt)e<0.

30. Первое начало термодинамики.

Первое начало говорит о возможности протекания процесса.

Теплота Q, подведенная к системе, идет на изменение внутренней энергии системы  ΔU и совершение системой работы A.

Q = ΔU + A        (1)

Первое начало в дифференциальной форме:

δQ = dU +δ A       (2)

δQ, δA –зависят от вида процесса и не являются полными дифференциалами;

dU – зависит только от начального и конечного состояния и является полным дифференциалом.

Q>0 и δQ>0, если теплота подводится к системе, А >0, если работа совершается самой системой.

33. Расширенный принцип Ле-Шатель. Адаптация и аутостабилизация живых систем.

Расширенный принцип Ле-Шателье утверждает, что при небольших отклонениях от стационарного состояния, в системе развиваются процессы, возвращающие систему в стационарное состояние. Система сама собой возвращается в стационарное состояние. При изменении внешних условий процессы в организме развиваются так, что он переходит в новое стационарное состояние.

Такая устойчивость стационарного состояния живых организмов называют аутостабилизацией.

Адаптация – приспособление к новым условиям.

34. изучение биологических мембран.

Для исследования мембран используются методы замораживания – скалывания и замораживания – травления. Препараты быстро замораживают, не подвергая их каким-либо повреждающим воздействиям, как при получении тонких срезов. Подготовка препарата включает ряд операций. После замораживания образец, представляющий собой суспензию клеток, скалывают с помощью ножа при низкой температуре (-1000С) в глубоком вакууме. При скалывании образуется срез, проходящий через образец. Оказалось, что если плоскость среза проходит через мембрану, она раскалывается преимущественно по срединной области и расщепляется на две половинки. На образовавшихся плоскостях скола обнажается внутренняя область мембран.

      При необходимости образец подвергают травлению и проводят обычную возгонку льда в вакууме. Это позволяет лучше визуализировать поверхностные структуры клеточных мембран.

      После этого получают так называемую «реплику» с обнаженной поверхности. Эту «реплику» и изучают методом электронной микроскопии. Для получения «реплики» сначала напыляют на образец платину  под углом около 450,  чтобы выявить топологические характеристики препарата. Затем платиновой реплике придают механическую прочность, нанося на нее слой углерода. После этого препарат оттаивают, «реплика» всплывает и ее вылавливают с помощью специальной сеточки.

       Метод дифракции рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ).  Использование рентгеновского излучения для анализа мембранных структур обусловлено тем обстоятельством, что одним из главных условий проявления дифракции является сопоставимость размеров объекта, на который направляется излучение, и длины волны этого излучения. Для анализа объектов нанометрового диапазона необходимо рентгеновское излучение (напомним, диапазон длин  его волн от 10-5 до 80 нм).

      Наблюдая картину дифракции на экране, можно установить, под каким углом θ наблюдается, например, максимум первого порядка (n=1). Зная длину волны, можно найти важнейший параметр структуры исследуемого вещества – межатомное расстояние d:

d  =  n λ / 2sin θ

      Рентгеноструктурный анализ подтвердил бислойное расположение фосфолипидов в мембранах и присутствие в них белков, вычислены важные структурные параметры мембраны.

Люминесцентные методы исследования мембран.

      Эти методы связаны с использованием флюоресцентных меток - флюоресцирующих молекулярных групп, тем или иным способом связанных с исследуемыми молекулами и позволяющих визуализировать многие процессы.

      Флюоресцентный анализ дает возможность исследовать подвижность фосфолипидных молекул в мембране, оценить вязкость липидной фазы мембраны (микровязкость).  

Электронный парамагнитный резонанс. (ЭПР)

      Электронный парамагнитный резонанс – это явление резкого возрастания поглощения энергии электромагнитной волны системой парамагнитных частиц (электронов с некомпенсированными спинами), помещенных во внешнее магнитное поле, при резонансной частоте волн  νрез.

      Так как молекулы фосфолипидов диамагнитны,  то для ЭПР – исследований биомембран используются спин-зонды и спин-метки – молекулы или молекулярные группы с неспаренными электронами.

      Парамагнитные спин-зонды вводят в липидную мембрану, спектры поглощения спин-зондами электромагнитной волны дают информацию о свойствах липидного окружения, в частности о подвижности липидных молекул в мембране.

      Несмотря на ценную информацию, которую удалось получить при исследовании биологических объектов методом ЭПР с использованием спиновых зондов, этот метод обладает существенным недостатком – внесения в биологический объект чужеродных молекул-зондов может изменять структуру объекта. От этого недостатка свободен метод  ЯМР.

      Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – это явление  резкого возрастания поглощения энергии электромагнитной волны системой атомных ядер, обладающих магнитным моментом, при их помещении во внешнее постоянное магнитное поле и облучении электромагнитной  волной  определенной (резонансной) часты.

      ЯМР широко используется для исследования структуры, как простейших молекул неорганических веществ, так и сложнейших молекул живых объектов; для изучения особенностей протекания химических реакций.

      Использование ЯМР-метода в медицине чрезвычайно перспективно. Этот метод неинвазивен и очень чувствителен.   

35. . Модели биологических мембран

      Уточнение строения биомембран и изучение их свойств осуществляется с использованием физико-химических моделей мембраны.

      Первая модель – монослой. Молекулы фосфолипидов, будучи помещенными на границу раздела вода-воздух (вода-масло), выстраиваются в один слой так, что гидрофильные (полярные) головки погружаются в воду, а гидрофобные «хвосты» в контакт с водой не вступают, остаются в воздухе (масле). Молекулы фосфолипидов как бы  «отслаиваются» от воды. Пока молекул немного, они располагаются на поверхности «прильнув» к воде головками и выставив наружу «хвосты»

Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, удастся получить монослой, в котором молекулы расположены так же плотно, как и в одном из монослоев мембраны. При изменении состояния липидных молекул (под действием температуры, взаимодействия липидов с различными лекарственными препаратами и пр.) меняется площадь, занимаемая молекулами.

      Поэтому в билогических и медицинских исследованиях широко используются монослои синтетических липидов, изолированных на различных природных мембранах.

      Вторая модель – плоские  бислойные липидные мембраны (БЛМ).

      Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептане и других растворителях). Растворитель диффундирует из раствора  в воду и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка-торуса у краев отверстия (рис. 4).На плоских мембранах можно проводить электрические измерения. Эта система особенно полезна для изучения пор, каналов или переносчиков, которые облегчают или ускоряют перенос заряда через бислой из одного водного компартамента в другой. В водные камеры нетрудно поместить электроды, растворы в них можно легко заменять, а измерение тока и напряжение высокоточных и высокочувствительных.

      Третья модель – липосома. Липидные слои, если они имеют большую протяженность, стремятся замкнуться сами на себя, чтобы спрятать гидрофобные «хвосты» от воды. При этом образуются фосфолипидные везикулы – липосомы (

      Они представляют собой мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из билипидной мембраны. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью лишенной белковых молекул. На липосомах часто проводят эксперименты по изучению влияния различных факторов на свойства мембраны, или, наоборот, влияния мембранного окружения на свойства встраиваемых белков. В медицине липосомы используются для доставки лекарственных веществ, приготавливая их в среде, содержащей чужое вещество, в определенные органы и ткани. Таким способом готовят липосомные кремы и мази в дерматологии и косметологии. Сами липосомы не токсичны, полностью усваиваются в организме и являются надежной липидной микрокапсулой для направленной доставки лекарства.

36.пассивный транспорт

      Пассивный транспорт – перенос молекул и ионов через мембрану, который осуществляется в направлении меньшей их концентрации.

      Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии.

      Различают несколько типов пассивного транспорта. На рис. 7 представим классификацию основных видов пассивного транспорта

      Рассмотрим простую диффузию, которая может происходить непосредственно через липидный бислой, через липидную или белковую пору в водном окружении.

      Простая диффузия через липидный слой подчиняется уравнению Фика для молекул или в более общем случае для нейтральных и заряженных частиц – уравнению Нернста - Планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ.

      Через липидные и белковые поры проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые  гидратированные ионы (окруженные молекулами воды). Для жиронерастворимых  веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер молекулы, тем меньше проницаемость мембраны для этого вещества.

      Однако простая диффузия проникает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными веществами.

      В биологических мембранах существует еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия  происходит при участии молекул переносчиков (в). Например, валиномицин – переносчик ионов калия. Установлено, что валиномицин резко повышает проницаемость мембраны для К+ благодаря специфике своей структуры. В нем формируется полость, в которую точно и прочно вписывается ион К+ (ион Na+ слишком велик для отверстия в молекуле валиномицина). Молекула валиномицина «захватив» ион К+,  образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану, затем ион К+ остается, а переносчик уходит обратно.

      При облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других: так, из сахара глюкоза переносится лучше, чем фруктоза, фруктоза лучше, чем ксилоза, а ксилоза лучше, чем арабиноза и т.д.

      Есть вещества, блокирующие облегченную диффузию – они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, например, флоридзин подавляет транспорт сахаров через биологическую мембрану.

      Еще разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны. При этом молекула переносимого вещества передается от одной молекулы переносчика к другой, как по эстафете.

      Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:

dV/dt = (P1-P2)/Х, где

- dV/dt – объемная скорость переноса раствора,

- Х – гидравлическое сопротивление.  

Х  = 8ηl / πr4,

l – длина поры, r – ее радиус,  η – коэффициент вязкости раствора.

      Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.

      Осмос – преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и  проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией  растворенного вещества в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обуславливают гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

37.активный транспорт. Ионные насосы.              Активный транспорт – перенос молекул и ионов, который происходит при затрате химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрацией, а ионы переносятся  против сил, действующих на них со стороны электрического поля.

      Таким образом, активным транспортом осуществляется перенос веществ в направлении, противоположном транспорту, который должен был бы происходить под действием градиентов (прежде всего концентрационного и электрического). Энергия получается за счет гидролиза молекул особого химического соединения – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

      В настоящее время известны три типа электрогенных ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов через мембрану.

22.Рассеяние света. Нефелометрия.  совокупность методов измерения интенсивности рассеянного в данной среде видимого или ультрафиолетового света с целью определения концентрации, размера и формы диспергированных частиц в дисперсных системах. Рассеяние света — отражение его освещенными частицами взвесей (часто называемое Тиндаля эффектом) — имеет различный характер в зависимости от соотношения размеров диспергированных частиц и длины волны падающего света. Если наибольший размер взвешенных частиц меньше 0,1 длины волны, то рассеяние света в пространстве симметрично и называется рэлеевским рассеянием. Рассеяние света частицами больших размеров сильнее, но неравномерно: оно больше в направлении движения луча падающего света. Теория рассеяния света приложима при измерении интенсивности как рассеянного света (собственно нефелометрия), так и ослабленного, вследствие рассеяния, проходящего света (турбидиметрия). После калибровки по суспензиям с известными концентрациями можно определять концентрацию дисперсной фазы, что используется в химическом анализе (см. Нефелометрический анализ). Измеряя интенсивность светорассеяния в растворах при разных концентрациях, определяют молекулярные массы полимеров. Угловая зависимость светорассеяния для больших частиц, а также степень поляризации рассеянного света даёт информацию о форме частиц (или макромолекул). Кроме того, Н. используется при исследовании эмульсий и др. коллоидных систем, в метеорологии, физике моря при изучении некоторых биологических объектов.

23.тепловое излучение тел. гипотеза планка.Равновесное тепловое излучение. Применение ИК в медицине

Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. Существует много различных механизмов подвода энергии к источнику света. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, то есть подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным.

Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:

E = hν,

где h – так называемая постоянная Планка, равная

h = 6,626·10–34 Дж·с.

Постоянная Планка -это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.

Равновесным тепловым излучением называют излучение, при котором расход энергии тела на излучение компенсируется энергией поглощенного им излучения для каждой длины волны.

Из всех видов излучения только тепловое излучение может находиться в равновесии с излучающими телами.

Следует отметить, что равновесное тепловое излучение не зависит от природы тел, а зависит только от его температуры.

Медики XIX века в качестве инфракрасных нагревателей начали использовать электрические лампы накаливания и применять их при заболеваниях лимфатической системы, суставов, грудной клетки (плевриты), органов брюшной полости, печени и желчного пузыря. Инфракрасные нагреватели нашли применение в качестве средства для активизации обмена в парализованных органах, ускорения окисления, воздействующего на общий обмен веществ, стимулирования эндокринных желез, исправления последствий неправильного питания (ожирение), заживления ран и т.д.

Исследователи отметили, что инфракрасное излучение улучшает циркуляцию крови, а вызванная инфракрасными лучами гиперемия оказывает болеутоляющее действие. Также замечено, что хирургическое вмешательство, проведенное при инфракрасном излучении, обладает некоторыми преимуществами - легче переносятся послеоперационные боли, быстрее происходит регенерация клеток. К тому же инфракрасные лучи позволяют избежать внутреннего охлаждения в случае открытой брюшной полости. При этом понижается вероятность операционного шока и его последствий.

24.Волновые св-ва микрочастиц.Длина волны де Бройля. Дифракция электронов. эл. микроскоп

развитие представлений о корпускулярно-волновых свойствах материи получило в гипотезе о волновом характере движения микрочастиц. Луи де Бройль из идеи симметрии в природе для частиц вещества и света приписал любой микрочастице некий внутренний периодический процесс (1924). Объединив формулы E = hν и E = mc2, он получил соотношение, показывающее, что любой частице соответствует своя длина волны: λБ= h/mv = h/p, где p- импульс волны-частицы. К примеру, для электрона, имеющего энергию 10 эВ, длина волны де Бройля составляет 0,388 нм.

В дальнейшем было показано, что состояние микрочастицы в квантовой механике может быть описано определенной комплексной волновой функцией координат Ψ(q), причем квадрат модуля этой функции |Ψ|2определяет распределение вероятностей значений координат. Эта функция была впервые введена в квантовую механику Шредингером в 1926 г. Таким образом, волна де Бройля не несет энергию, а только отображает “распределение фаз” некоего вероятностного периодического процесса в пространстве. Следовательно, описание состояния объектов микромира носит вероятностный характер, в отличие от объектов макромира, которые описываются законами классической механики.

Для доказательства идеи де Бройля о волновой природе микрочастиц немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов (1925). В США К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили явление дифракции при прохождении пучка электронов через пластинку из кристалла никеля (1927). Независимо от них дифракцию электронов при прохождении через металлическую фольгу открыли Дж. П. Томсон в Англии и П.С. Тартаковский в СССР. Так идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Октрытие волновых свойств у микрочастиц показало, что такие формы материи, как поле (непрерывное) и вещество (дискретное), которые с точки зрения классической физики, считались качественно отличающимися, в определенных условиях могут проявлять свойства, присущие и той и другой форме. Это говорит о единстве этих форм материи. Полное описание их свойств возможно только на основе противоположных, но дополняющих друг - друга представлений.

Дифракция электронов.

Для получения спектра световых волн и определения их длины используется дифракционная решетка. Она представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками, например, стеклянная пластинка с нанесенными на ней царапинами (штрихами). Как и от двух щелей при прохождении через такую решетку плоской монохроматической волны, каждая щель станет источником вторичных когерентных волн, в результате сложения которых возникнет интерференционная картина. Условие возникновения максимумов интерференции на экране, расположенном на расстоянии L от дифракционной решетки, определяется разностью хода между волнами от соседних щелей. Если в точке наблюдения разность хода будет равна целому числу волн, то произойдет их усиление и будет наблюдаться максиму интерференционной картины. Расстояние между максимумами для света определенной длины волны λ определяется по формуле: h0 = λL/d. Величина d называется периодом решетки и равна сумме ширины прозрачного и непрозрачного промежутков. Для наблюдения дифракции электронов в качестве естественной дифракционной решетки используют кристаллы металла. Периоду d такой естественной дифракционной решетки соответствует характерное расстояние между атомами кристалла.

Проходя разность потенциалов U между катодом и анодом, электроны приобретают кинетическую энергию Eкин. = Ue, где e - заряд электрона. Из формулы кинетической энергии Eкин. = (mev2)/2 можно найти скорость электрона: . Зная массу электрона me можно определить его импульс и соответственно длину волны де Бройля. V=кв.корень из 2 (Екин./m)

По такой же схеме в 30-е годы был создан электронный микроскоп, дающий увеличение в 106 раз. В нем вместо световых волн используются волновые свойства пучка электронов, ускоренных до больших энергий в условиях глубокого вакуума. Были изучены существенно более мелкие объекты, чем с помощью светового микроскопа, а по разрешающей способности улучшение - в тысячи раз. При благоприятных условиях можно сфотографировать даже отдельные крупные атомы, максимально близко расположенные детали объекта размером порядка 10-10 м. Без него вряд ли было возможно контролировать дефекты микросхем, получать чистые вещества, развивать микроэлектронику, молекулярную биологию и т.д.

25.Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами. Спектральный анализ. Люминесценция

Излучение атомом электромагнитной волны происходит в том случае, когда орбитальный электрон переходит с более высокого энергетического уровня электронной орбиты на более низкий энергетический уровень. Обратный процесс, процессу излучения электромагнитной энергии, происходит при поглощении энергии, а орбитальный электрон при этом, переходит в так называемое возбужденное нестабильное состояние, из низшего, на высший энергетический уровень. То есть на высшую электронную орбиту. Поэтому получается следующее, атомы вещества излучая электромагнитные волны – остывают, а поглощая – нагреваются.

Люминесценция возникает при преобразовании в свет энергии, поглощённой атомами, молекулами или ионами некоторых веществ. Далеко не все вещества способны давать люминесценцию. Частицы люминесцентного вещества, поглотив энергию, приходят в особое возбужденное состояние, которое длится некоторое, обычно очень незначительное, время, возвращаясь в исходное, нормальное состояние, возбуждённые частицы отдают избыток энергии в виде света – люминесценции. Необходимую для возбуждения свечения энергию можно сообщить частицам люминесцентного вещества разными путями: можно направить на него поток световых лучей, можно достигнуть возбуждения частиц ударами электронов и т. Д.

Условия, в которых возбуждаются и светят частицы люминесцентного вещества, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскалённого тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергию получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбуждённых частиц.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ [spectral analysis] — математико-статистический метод анализа временных рядов, при котором ряд рассматривается как сложная совокупность, смесь гармонических колебаний, накладывающихся друг на друга. При этом основное внимание уделяется частоте колебаний; используется, в частности, аппарат тригонометрических функций, разложение рядов

26.Рентгеновское излучение. Рентгеноструктурный анализ. Его применение в медицине

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Å (от 10−12 до 10−7 м).

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: кв. корень из V=A(Z-B)

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов В настоящее время рентгеновские лучи используются чаше всего такой отраслью медицины как травматология. Поступивших больных с подозрениями на закрытый перелом обязательно просматривают с помощью рентгеновской установки, для  того, чтобы выяснить, насколько серьезен перелом. Также используются рентгеновские лучи и в хирургии для определения характера заболевания, например воспаления легких. Используются и дантистами, для определения повреждения зуба.

метод исследования кристаллической структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения.         

P. a. применяется для изучения веществ твёрдых и жидких, кристаллич. и аморфных, однако наиболее широко и успешно используется для изучения кристаллич. объектов.         

Kаждое кристаллич. вещество - минерал или его синтетич. аналог, каждое хим. соединение имеет свою индивидуальную кристаллич. структуру, определяющую индивидуальность физ.-хим. свойств вещества. Oпределение структурных характеристик: элементарной ячейки, симметрии, размеров, координат атомов в ней, межатомных расстояний, межплоскостных расстояний - осн. задача P. a. Aнализ основан на определении углов отражения и интенсивности рассеянного веществом рентгеновского излучения, определяемого плотностью и характером заселения атомных плоскостей и атомными номерами входящих в состав вещества хим. элементов. Kак правило, расшифровка структуры проводится по рентгенограммам монокристаллов, однако можно определять и по порошковым дифракционным картинам. Pентгенограммы монокристаллов фиксируются на фотоплёнку в камерах Лауэ (при отборке совершенных кристаллов и юстировке), в камерах вращения, качания или развёрток (КФОР, рентген-гониометры). Oптимальной является работа на монокристалльных рентген-дифрактометрах при регистрации излучения детекторами (счётчиками разл. типа). Oбработка экспериментальных данных проводится c помощью ЭВМ

27.Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада

Радиоактивность — спонтанное испускание ионизирующего излучения нестабильными атомными ядрами в результате ядерного распада или квантового перехода на более низкий энергетический уровень.

Радиоактивность следует отличать от ядерных реакций, происходящих вследствие поглощения ядром-мишенью ядерной частицы (нейтрона, протона, α-частицы) и образования составных ядер. Время жизни составных ядер может достигать величины 10−14-10−12 секунда, что гораздо больше времени пролёта ядерной частицы ядра (10−22-10−21 с). Условной границей времени жизни радиоактивных ядер считается 10−12 с (1 пс).

Сущность радиоактивности заключается в спонтанном превращении неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп, чаще всего другого элемента, сопровождающееся выделением энергии, элементарных частиц (электрон, позитрон и др.), или ядер других элементов (например, гелия 4He — α-частица). Эти превращения (по крайней мере все известные) являются следствием фундаментальных физических взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного. С сильным взаимодействием связаны превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц — нейтронов, протонов, α-частиц. Слабое отвечает за β-распад, электромагнитное — за энергетические переходы, сопровождающиеся γ-излучением.

Известные виды радиоактивных превращений можно разделить на две основные группы — элементарные (одноступенчатые) и сложные (двухступенчатые).

закон радиоактивного распада - экспоненциальная зависимость, выражающая долю распавшихся радиоактивных изотопов с течением времени.

Для каждого радиоактивного вещества, заданного периодом полураспада, закон радиоактивного распада связывает:

- период наблюдения;

- число радиоактивных атомов в начальный момент наблюдения;

- число радиоактивных атомов в конечный момент наблюдения. N=Noe в ст. -лямбда тэ

28.Дозиметрия ионизирующего излучения

ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ (греч, dosis порция, доза + metreo мерить, измерять) - раздел прикладной ядерной физики, предметом к-рого являются изучение физических величин, характеризующих взаимодействие ионизирующих излучений с веществом объектов неживой и живой природы, а также разработка и применение методов и средств для измерений этих величин.

Основной физической величиной в Д. и. и. является поглощенная доза: энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества (см. Доза ионизирующего излучения). Эта величина используется в ядерной физике, радиобиологии, медицинской радиологии, радиационной гигиене, радиационной безопасности, радиационной технологии и др. Поглощенная доза характеризует не столько само ионизирующее излучение, сколько его воздействие на вещество среды. При упоминании о поглощенной дозе обычно указывают и среду, для к-рой она определена, т. к. в разных средах (веществах) ионизирующее излучение одного и того же вида образует разную поглощенную дозу, напр, доза в воздухе или в воде, тканевая доза (поглощенная доза в веществе стандартного состава, соответствующего среднему составу мягких биологических тканей) и т. д. Поскольку непосредственное измерение поглощенных доз в органах и тканях живого организма обычно невозможно или затруднено, то в необходимых случаях для их определения пользуются расчетными данными, а также изготовляют тканеэквивалентные дозиметрические фантомы человека и животных и их отдельных органов и тканей, в к-рых измеряют тканевые дозы от источников излучения, помещая в соответствующее место фантома подходящий детектор излучения.

Определение поглощенных доз проводят с помощью специальных устройств - дозиметров ионизирующих излучений.

Действие ионизирующего излучения на живой организм зависит не только от поглощенной дозы, но и от вида и физических характеристик, или "качества", самого излучения.

29.Действие ионизирующего излучения на в-во и организм

В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы.

Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми.

Некоторые радиоактивные вещества накапливаются в отдельных внутренних органах. Например, источники альфа - излучения (радий, уран, плутоний), бета - излучения (стронций и иттрий) и гамма-излучения (цирконий) отлагаются в костных тканях. Все эти вещества трудно выводятся из организма.

При изучении действия излучения на организм были определены следующие особенности:

- высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме;

наличие скрытого, или инкубационного, проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении большими дозами;

- действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;

- излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;

- различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови;

- не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

- облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционирование

39.Уравнение Нернста, Гольдмана

Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

# электродный потенциал, E0 — стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;

# \ R — универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

# \ T — абсолютная температура;

# \ F — число Фарадея, равное 96485,35 Кл/моль;

# \ n — число моль электронов, участвующих в процессе;

# \ {aо и aR — активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Всякое равновесие можно рассматривать как частный случай стационарного состояния.

Уравнение Нернста — это частный случай уравнения Гольдмана: (8.18) переходит в (1.7),

если проницаемость для одного из ионов гораздо выше, чем для других

41.Распространение возбуждения вдоль нервного и мышечного волокна

Взаимодействие человека с внешней средой не возможно представить без его мышечной системы. Производимые движения  скелетной мускулатурой необходимы как для выполнения простейших перемещений тела в пространстве, сложных манипуляций хирурга, стоматолога, выражения самых тонких чувств и мыслей с помощью речи, мимики, жестов. Работа сердца обеспечивает кровоснабжение всех органов, работа гладких мышц создает условия для нормального осуществления физиологических процессов, обеспечивающих гомеостаз, практически во всех системах: гастроинтестинальной, сердечно-сосудистой, выделительной, репродуктивной,  дыхательной. Ведущая роль скелетной мускулатуры также в производстве тепла и поддержании температуры тела. Мышцы - это «машины», преобразующие химическую энергию в механическую (работу) и тепло. Масса мышц больше чем других органов, 40-50% от массы тела.

В естественных условиях (в нашем организме) возбуждение мышечного волокна (или нескольких мышечных волокон, составляющих мышцу) возникает в результате передачи возбуждения с нервного волокна на мембрану мышечного в местах контакта нерва и мышцы: нервно-мышечных синапсах.

Механизм нервно-мышечной передачи

Синапсы представляют собой коммуникационные структуры, которые формируются окончанием нервного волокна и прилегающей к нему мембраной мышечного волокна (пресинаптической нервной и постсинаптической мышечной мембранами)

Когда нервный импульс достигает окончания аксона, на деполяризованной пресинаптической мембране открываются потенциалзависимые Са2+ каналы. Вход Са2+ в аксональное расширение (пресинаптическую мембрану) способствует высвобождению химических нейромедиаторов, находящихся в виде везикул (пузырьков) из окончания аксона. Медиаторы (в нервно-мышечном синапсе это всегда ацетилхолин) синтезируются в соме нервной клетки и путем аксонального транспорта транспортируются к окончанию аксона, где и выполняют свою роль. Медиатор диффундирует через синаптическую щель и связывается со специфическими рецепторами на постсинаптической мембране. Так как медиатором в нервно-мышечном синапсе является ацетилхолин, то рецепторы постсинаптической мембраны называют холинорецепторами. В результате этого процесса на постсинаптической мембране открываются хемочувствительные Nа+-каналы, возникает деполяризация, величина которой различна, и зависит от количества выделенного медиатора. Чаще всего возникает локальный процесс, который называют потенциалом концевой пластинки (ПКП). При повышении частоты стимуляции нервного волокна, усиливается деполяризация пресинаптической мембраны, а, следовательно, возрастает количество выделяемого медиатора и число активированных хемочувствительных Nа+каналов на постсинаптической мембране.

40.Биофизика нервного импульса. Потенциал дйствия

Импульс, поступивший, скажем, от глаза, вызывает движение определённых химических веществ к нейрону, в результате чего по аксону проходит волна электрического заряда — подобно тому, как по проводу движется электрический ток. На кончике аксона происходит выделение этих веществ, приводя к возбуждению близлежащих нейронов. Таким способом поступивший от глаза сигнал попадает в зрительный центр головного мозга. Здесь он обрабатывается, после чего посылаются ответные сигналы.

Импульсы, передаваемые нейронами всех типов, в основном сходны между собой. Каждая часть мозга расшифровывает входящие сообщения исходя из того, сколько их поступает за один раз. Например, сигналы от руки, касающейся чего-то горячего, будут поступать значительно интенсивнее сигналов от уха, которое в ту же минуту слышит пение птиц. Таким образом мозг определяет, какая информация для организма важнее.

Нервные импульсы проходят через мозг со скоростью до 400 км/ч, и каждую секунду через нейрон может пробегать 200 сигналов. В отличие от компьютера, который можно выключить, этот «управляющий» человеческого организма работает круглые сутки. Даже во время сна в мозг и из него ежесекундно поступает 50 миллионов нервных сигналов, и расходуемой при этом мощности хватило бы на питание 10-ваттной лампочки.