|
aпред
sin aпред = n 2 / n 1 при n 2< n 1
Волоконные световоды. Действие волоконных световодов основано на явлении полного внутреннего отражения. Устройство волоконного световода представлено ниже на рисунке:
Луч света идет внутри прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления. Многократно отражаясь от стенок, он распространяется вдоль волокна. Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки - световоды.
В медицине световоды используются для освещения холодным светом внутренних полостей и для передачи изображения этих полостей. Предполагается передача лазерных излучений во внутренние органы для лечебного воздействия на патологические образования.
Приборы для определения показателя преломления веществ называются рефрактометрами. В медицине рефрактометры используются для определения концентрации веществ в растворе, например, содержание белка в сыворотке крови, содержание сахара в моче и т.п. Этот метод определения основывается на зависимости показателя преломления вещества от его концентрации в растворе.
Действие рефрактометра основано на определении предельного угла преломления света в исследуемой жидкости.
Предельный угол преломления - угол преломления, которому соответствует в первой среде угол падения 90°.
Основу оптики рефрактометра составляют две призмы - осветительная и измерительная, между которыми помещается тонкий слой исследуемой жидкости. Осветительная призма необходима для создания угла падения лучей света от 0 до 90 градусов. Тогда: sin bпред = nж / nст, где bпред - предельный угол преломления света,
nж - показатель преломления исследуемой жидкости, nст - показатель преломления стекла призмы.
Из формулы видно, что с помощью рефрактометра нельзя измерить показатель преломления жидкости с показателем преломления, большим, чем показатель преломления стекла измерительной призмы.
Литература: Ливенцев Н.М. «Курс физики».-1978.- с.474-477; Эссаулова и др. «Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике»--1987.- с.203-205.
Вопрос 9. Оптически система глаза. Аккомодация и разрешающая способность зрения. Аномалии рефракции зрения (миопия, гиперметропия, пресбкопия, астигматизм). Происхождение и их коррекция.
Глаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей, хрусталиком, жидкостью передней камеры с общей оптической силой около 60 диоптрий.
1- стекловидное тело; 2 - роговица; 3 - сетчатка; 4 - склера; 5 - хрусталик; 6 - сосудистая оболочка.
Аккомодация - изменение оптической силы глаза таким образом, чтобы изображение всегда получалось на сетчатке, независимо от расстояния, на котором находится предмет. Аккомодация происходит за счет изменения кривизны хрусталика.
Разрешающая способность глаза определяется наименьшим углом зрения, при котором две точки предмета видны отдельно. Для нормального глаза этот угол равен приблизительно одной минуте. При таком угле зрения минимальное расстояние для двух точек, видных отдельно и расположенных на расстоянии 25 сантиметров от глаза, равно 0,07мм.
Миопия - близорукость. При данном недостатке зрения изображение удаленных предметов находится в плоскости, лежащей перед сетчаткой. Для исправления близорукости применяют рассеивающую линзу:
Л хр С
Л - линза; хр - хрусталик; С - сетчатка.
Гиперметропия - дальнозоркость. Гиперметропия объясняется недостаточной преломляющей способностью глаза, вследствие чего изображение получается за сетчаткой. Для исправления дальнозоркости применяют очки с собирающими линзами:
Л хр С
Л - линза; хр - хрусталик; С - сетчатка.
Пресбиопия - уменьшение с возрастом эластичность хрусталика, что ведет к уменьшению пределов аккомодации. Исправляется с помощью очков с собирающими линзами.
Астигматизм чаще всего связан с неравномерной рефракцией в различных мередиальных плоскостях глаза, чаще всего во взаимно перпендикулярных плоскостях. Такой астигматизм называется простым. Простой астигматизм исправляется с помощью очков с цилиндрическими линзами.
Литература: Ремизов А.Н. Медбиофизика,-1987, с.453-460. Ливенцев Н.М., Курс физики,-1978, с.426-432.
Вопрос 10. Информационно-биологические процессы. Первичный механизм зрения. Ретиналь. Цикл превращения родопсина.
Зрение - процесс, при котором, в ответ на поглощение кванта света в видимой области спектра, фоторецепторами формируется зрительный образ. Основные свойства зрительных рецепторов:
а) высокая информативность (в 10 раз больше, чем у остальных чувств);
б) большая чувствительность (порядка 1-2 кванта света);
в) высокое быстродействие;
г) возможность различать до 100000 оттенков цветов;
д) максимум спектральной чувствительности приходится на длину волны 500-550 нм.
Первичный механизм зрения - образование изображения предметов на сетчатке глаза является первичным звеном зрения.
Фоторецепторы сетчатки разделяются на палочки и колбочки. Число палочек 110 × 106, колбочек 6 × 106.
Палочки более светочувствительны, чем колбочки, но они не обеспечивают различия цвета.
Колбочки образуют аппарат дневного и цветового зрения.
Палочка состоит из чувствительного к свету наружного сегмента I, внутреннего сегмента с ядрами и митохондриями II и нервного сегмента Ш (см. рис.).
Характерным элементом палочки является наружный сегмент, имеющий у человека диаметр около 2 мкм и длину от 20 до 30 мкм. Общая длина палочки составляет 50-60 мкм. Вся цитоплазма наружного сегмента заполнена своеобразными органеллами, называемыми дисками. Промежутки между ними не превышают 15 нм. В каждой палочке содержится от 700 до 1000 дисков. Диаметр каждого диска равен порядка 2 мкм, а толщина 15-18 нм. Следовательно, на внутридисковое содержимое вместе с цитозолем приходится не более половины объема наружного сегмента. Другую половину занимают мембраны дисков. Именно в них осуществляется первичный процесс восприятия света. Поэтому мембрану диска называют фоторецепторной мембраной. Подобно всем биомембранам, она состоит из липидов и белков, однако ей присущи два кардинальных отличительных признака. Во-первых, ее основным белковым компонентом является зрительный пигмент - родопсин. Во-вторых, более 50 процентов жирно-кислотного состава фосфолипидов, образующих дисковые мембраны, приходится на полиненасыщенные жирные кислоты. Высокая степень насыщенности жирно-кислотных «хвостов» фосфолипидных молекул придает гидрофобному бимолекулярному каркасу фоторецепторной мембраны необычную подвижность, вследствие чего она обладает малой вязкостью (порядка
100 сП).
Первичный механизм возбуждения палочек светом связан со сложными превращениями родопсина в фоторецепторной мембране. Родопсин - высокомолекулярное соединение, состоящее из двух основных компонентов: альдегида витамина А (ретиналя) и липопротеина под названием опсин («белок глаза»). В темноте ретиналь пребывает в так называемой 11-цисформе, для которой характерна некоторая скрученность молекулы. Скрученной молекуле 11-цис-ретиналя свойственна наибольшая энергия взаимодействия с опсином, вследствие чего их комплекс весьма устойчив. Для его разрушения необходимо преобразовать 11-цис-ретиналь в другой изомер - в так называемый полностью транс-ретиналь. Такое преобразование, происходящее под действием света, называется фотоизомеризацией.
Непосредственным следствием фотоизомеризации, приводящим, в конце концов, к появлению у человека ощущения света, служат конформационные перестройки молекулы родопсина. Дело в том, что пространственно 11-цис-ретиналь точно соответствует конфигурации активного центра опсина. При образовании трансизомера это соответствие (комплиментарность) нарушаются, в результате чего ретиналь отщепляется от опсина, и родопсин обесцвечивается - претерпевает фотолиз.
Вне действия света распавшийся родопсин восстанавливается. Цикл превращений родопсина приведен ниже на рисунке.
1 - родопсин;
2 - фотоизомеризация ретиналя;
3 - распад родопсина;
4 - при помощи фермента АДГ (алкогольдегидрогеназа) получается трансформа витамина А;
5 - при помощи фермента ДПН (дифосфопиридиннуклеотид) образуется цис-форма витамина А;
6 - образование ретиналя и соединение с опсином.
Вследствие конформационной перестройки молекул родопсина в фоторецепторной мембране под действием
кванта света происходит гиперполяризационный сдвиг мембранного потенциала фоторецепторной клетки,
который называется рецепторным потенциалом (РП).
Амплитуда рецепторного потенциала возрастает при повышении интенсивности света, падающего на сетчатку и от длины волны света, поглощенного фоторецептором. Палочки генерируют наибольший РП и ответ на зеленый свет (31=500 нм). Среди колбочек выделено 3 типа, один из которых дает максимальный ответ (РП) на синий, второй - на зеленый, третий - на желто-красный свет.
Литература: Ремизов А.Н., Мвдбиофизика,-1987, с. 531-534. Владимиров ЮЛ. «Биофизика»,-1983, с.244-252. Лекции.
Вопрос 11. Адаптация зрения. Закон Вебера-Фехнера. Амплитудная характеристика зрения. Основные м вспомогательные механизмы адаптации.
Адаптация зрения - способность глаза приспосабливаться к различным яркостям. Адаптация зрения обеспечивает контрастное видение объектов при малоотличающихся освещенностях.
В основе зрительного восприятия лежит психофизиологический закон Вебера-Фехнера, который применительно к зрительному ощущению можно сформулировать следующим образом:
«зрительное ощущение пропорционально десятичному логарифму освещенности» R = a lg Е, где R - уровень зрительного ощущения; Е - величина освещенности.
График зависимости уровня зрительного ощущения от логарифма освещенности получил название амплитудной характеристики зрения.
Из графика видно, что наибольшее зрительное ощущение возникает при одинаковых изменениях логарифма освещенности на участке ВС амплитудной характеристики, т.е. при Δlg E 1 = Δlg E 2 = Δlg E 3 ΔR2 > ΔR1 и ΔR3, где ВС - прямолинейный участок характеристики.
Возможен сдвиг крутого участка характеристики влево и вправо. При помещении глаза в темноту через 30-40 минут происходит сдвиг крутого участка амплитудной характеристики зрения влево. При этом уровень зрительного ощущения резко возрастает. Это основной механизм адаптации. Есть и другие, вспомогательные, механизмы адаптации:
1) изменение диаметра зрачка в пределах от 2 до 8 мм, что изменяет световой поток в 16 раз;
2) экранирование колбочек и палочек темным пигментам, размещенным в сосудистой оболочке и способным в процессе адаптации перемещаться в направлении стекловидного тела;
3) уменьшение концентрации неразложившегося светочувствительного вещества.
Литература: Ремизов А.Н.Медбиофизика,-1987,с.531-532. Лекции.
Вопрос 12. Оптический микроскоп: устройство, увеличение, разрешение. Формула Аббе. Ультрафиолетовый микроскоп: устройство, принцип действия, преимущества. Иммерсионные системы.
Для получения больших увеличении используется микроскоп.
Оптический микроскоп состоит из механических и оптических систем.
Механическая система состоит из основания, коробки с микрометрическим механизмом, тубуса, предметного столика, револьвера для смены объектива.
Оптическая система состоит из 2-х частей: осветительной (зеркало, светофильтр, конденсор) и наблюдательной. В наблюдательную часть входят: объектив, призма и окуляр, соединенные в тубусе микроскопа. Увеличение микроскопа определяют по формуле: А = Аоб × Аок, где Аоб увеличение объектива, Аок увеличение окуляра
или по формуле: А = 250 × L / (Fоб + Fок), где Fоб - фокусное расстояние объектива, Fок фокусное расстояние окуляра, 250 мм - расстояние наилучшего зрения.
Волновые свойства света (интерференция, дифракция) ограничивают увеличение микроскопа. Предел разрешения - это минимальное расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки воспринимаются в микроскопе отдельно друг от друга. Разрешающая способность - это величина, обратная пределу разрешения:
R = 1 / d.
Предел разрешения или разрешаемое расстояние определяется по формуле Аббе: d = 0,5l / (n × sin(u / 2)),
где l -длина волны; n - показатель преломления среды между предметом и линзой объектива;
u - апертурный угол (угол между крайними лучами пучка, входящего в объектив).
Величина А= n × sin(u / 2)называется числовой апертурой. Она указывается на объективе. Учитывая принятое обозначение, формула Аббе будет иметь вид: d = 0,5l / A.
Из формулы Аббе видно, что уменьшить предел разрешения можно, увеличив показатель преломления среды n с помощью жидкой специальной среды - иммерсии, помещаемой в промежутке между объективом и объектом. В качестве иммерсии используются жидкости с большим показателем преломления.
Для уменьшения предела разрешения, как видно из формулы Аббе, можно использовать свет с длиной волны меньшей длины волны видимого света, что нашло применение в ультрафиолетовом микроскопе, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Основное отличие ультрафиолетового микроскопа от обычного микроскопа заключается в использовании оптических устройств, прозрачных для ультрафиолетовых лучей - это в первых, и во вторых, в использовании специальных методов регистрации изображения: фотопластинки, люминесцентные экраны или электронно-оптические преобразователи.
Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987, с.463-487.
Вопрос 13. Волновые свойства частиц. Дифракция электронов. Формула де Бройля. Электростатическая линза. Электронный микроскоп (устройство, увеличение, предел разрешения) и его применение в медицине.
На основании опытов было установлено, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Следовательно, можно предположить, что всякая движущаяся частица вещества кроме корпускулярных свойств, должна иметь также и волновые свойства. Формула для вычисления импульса фотона имеет вид:
Р = h × n / c = h / l, где h - постоянная Планка, l - длина волны. Эта формула была использована де Бройлем для определения длины волны, излучаемой движущейся частицей.
Импульс частицы: Р = m × u = h / l, откуда l = h / m × u, где u - скорость частицы; m - ее масса.
Так, для электрона, при скорости движения u = 106 м/сек, длина волны де Бройля равна 7 × 10 -7 м.
Экспериментально было показано, что пучок электронов, падающий на кристаллическую решетку вещества, обнаруживает явление дифракции, что характерно для волнового процесса. Явление дифракции было обнаружено и для других частиц (протонов, нейтронов, ионов, атомов). Таким образом, опыт подтверждает, что частицы вещества обладают также волновыми свойствами. В настоящее время явление дифракции электронов широко используется для оценки параметров кристаллической решетки вещества.
На электрон, движущийся в электрическом поле, действует сила, сообщающая ему ускорение в направлении против поля. При этом электрон будет двигаться по криволинейной траектории, если направление поля и скорости не совпадают. Направив электрическое поле соответствующим образом можно осуществить собирающее или рассеивающее действие поля на электроны, то есть получить собирающие или рассеивающие электростатические линзы.
Собирающая и рассеивающая электростатическая линза.
«Преломляющая сила» электростатической линзы характеризуется ее фокусным расстоянием Р, которое зависит от устройства линзы, разности потенциалов на ее электродах и от скорости электронов.
Волновые свойства электронов используются для получения увеличенных изображений микрообъектов.
Из формулы Аббе следует, что предел разрешения микроскопа может быть рассчитан по формуле:
d = 0,5l / (n × sin(u / 2)). Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны, тем меньше предел разрешения.
Длина волны, соответствующая движущемуся электрону, гораздо меньше длины световой волны, поэтому, если в качестве источника «освещения» микропрепарата взять электронный прожектор, то можно получить гораздо меньшее наименьшее разрешаемое расстояние, а, следовательно, большую разрешающую способность.
Движущемуся электрону соответствует длина волны, которая может быть рассчитана по формуле де Бройля:
l = h / m × u, где u - скорость электрона; m – его масса. Скорость электрона, ускоренного электрическим полем с напряжением между катодом и анодом равным U, может быть рассчитана по формуле: e × U = m × u 2/ 2,
где е - заряд электрона.
Основу электронного микроскопа составляет система, состоящая из источника электронов и электронных линз, которые управляют электронным пучком. Ход лучей в электронном микроскопе аналогичен ходу лучей в световом микроскопе, только изображение предмета получается на фотопластинке либо экране.
Увеличение современного электронного микроскопа составляет порядка 600 000-800 000. Объектами наблюдений в электронном микроскопе могут быть бактерии, вирусы, макромолекулы вещества.
Литература: Ремизов АН., Медбиофизика,-1987, с.495-501.
Вопрос 14. Тепловое излучение тел и его основные характеристики. Понятие об абсолютно чёрном и сером телах. Закон Кирхгофа.
Тепловое излучение - излучение электромагнитных волн нагретыми телами.
Тепловое излучение возникает при любой температуре выше абсолютного нуля.
Поток излучения, испускаемый 1м2 поверхности тела, называется энергетической светимостью:
где rl - спектральная плотность энергетической светимости.
Величина al = Фпогл / Фпад называется монохроматическим коэффициентом поглощения,
где Фпогл - поток излучения, поглощенный данным телом, Фпад - поток излучения, упавшего на тело.
Коэффициент поглощения может принимать значение от 0 до 1.
Хорошо поглощают излучение сажа, бархат, черная бумага. Плохо поглощают тела с белой окраской, зеркала.
Тело, для которого al равен единице для всех частот, называют, абсолютно черным телом.
Моделью абсолютно черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости.
Тела, у которых al меньше единицы и не зависит от длины волны падающего света, называют серыми.
Изучая условия равновесия в изолированной системе тел, Кирхгоф установил, что отношение rl /al при одинаковой температуре не зависит от природы тел, а зависит только от температуры. Это отношение равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела: rl /al = el,
где el - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.
Из этой формулы следует rl =al × el, и значит, что если al = 0, то и rl = 0,
т.е. если тело не поглощает излучение с длиной волны l, то оно его и не излучает.
Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.476-478.
Вопрос 15. Законы Стефана-Больцмана. Излучение тела человека. Тепловизор: принцип действия и использование в диагностических целях.
Закон Стефана-Больцмана устанавливает, что полная (по всему спектру) излучательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: R = s × T 4,
где R - энергетическая светимость или излучательная способность абсолютно черного тела;
s - постоянная Стефана-Больцмана, s =5,7 × 10-8 Вт/(м2 К4);
Т - абсолютная температура.
По закону смещения Вина длина волны lm, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, меняется обратно пропорционально абсолютной температуре: lm = b / Т, где b = 0,28978 × 10-2(м × градус Кельвина) - постоянная Вина.
Этот закон выполняется и для серых тел.
Из закона Вина следует, что при повышении температуры, максимум излучения сдвигается в сторону более коротких волн.
Между телом человека и окружающей средой происходит постоянный теплообмен путем теплопроводности, испарения, конвекции и излучения (поглощения) электромагнитных волн. В условиях умеренного климата на испарение и конвекцию приходится около 50% теплопотерь. Остальные - на излучение инфракрасных лучей с длиной волны от 4 до 50 мкм. Максимум излучательной способности тела человека по закону Вина приходится на длину волны 9,5мкм при температуре кожи 32 С.
Небольшое повышение температуры вызывает значительное повышение излучательной способности.
Так при изменении температуры на 1% энергетическая светимость изменяется на 4%.
Воспалительные процессы, опухоли изменяют местную температуру и соответственно излучательную способность данного участка. Следовательно, регистрация излучения участков поверхностей тела человека является диагностическим методом. Такой метод называется термографией.
Тепловизор - устройство для определения температуры поверхности тела при термографии. Принцип действия основан на отображении на экране дисплея «тепловых изображений» предметов, полученных от электроннооптического преобразователя ЭОП. Эти изображения отличаются на экране или цветом или интенсивностью (при черно-белом изображении). Тепловизор используются для диагностики различных заболеваний.
Литература: Ремизов А.Н.. Медбиофизика,-1987, с.479-487.
Вопрос 16. Первичные стадии фотобиологических процессов. Излучение м поглощение энергия атомами и молекулами. Полная энергия молекулы. Спектр поглощения.
Фотобиологический процесс - процесс, протекающий в биологических системах при поглощении ими кванта света в видимой и ультрафиолетовой частях спектра, представляющий собой сложную последовательность физических, химических и биохимических реакций, и заканчивающихся физиологической или патофизиологической реакцией.
Пример: информационно-биологический процесс - зрение. При этом в ответ на поглощение квантов света в видимой области спектра фоторецепторами формируется зрительный образ.
Фотобиологический процесс включает ряд стадий:
1) возбуждение молекулы;
2) внутримолекулярный размен энергии;
3) межмолекулярный размен энергии;
4) стадия первичных фотобиологических процессов (создание нестойких продуктов реакций);
5) стадия вторичных фотобиологических процессов (стабилизация продуктов первичных фотохимических реакций);
6) стадия биохимических или ферментативных реакций;
7) стадия физиологических или патофизиологических реакций.
Пример: канцерогенный фотобиологический процесс. При поглощении ультрафиолетовых лучей определенной длины волны может образоваться раковая опухоль. Это патофизиологическая реакция.
Энергия атома квантована. Она может принимать строго определенные значения. Атомные спектры излучения и поглощения состоят из отдельных линий, соответствующих переходам электронов с одного уровня на другой.
Состояние электрона в атоме, когда он занимает положение с минимальной энергией, называется основным уровнем. При этом электроны на внешних уровнях могут быть спаренными и неспаренными. Спаренные электроны находятся на одной электронной орбите и имеют антипараллельные спины. Результирующий спиновый момент при этом равен нулю.
При образовании молекулы химические связи возникают благодаря взаимодействию неспаренных электронов.
Как известно, в невозбужденном атоме или молекуле, электроны находятся на самой низкой электронной орбите или энергетическом уровне So. Это основной (нулевой) уровень. Если его занимают спаренные электроны, и их суммарный спин равен нулю, т.е. принимает только одно значение, то такой уровень синглетный.
Кроме основного уровня есть более высокие в энергетическом отношении уровни S1, S2, S3 и, иногда, S4. На них электроны появляются только при возбуждении молекулы.
В некоторых случаях молекула может иметь во внешнем электронном слое два неспаренных электрона. В этом случае суммарный спиновый момент может принимать одно из трех значений: +1, 0, -1 и такое состояние электронной оболочки называется триплетным.
Переход в триплетное состояние связан с переориентацией спина электрона и поэтому этот переход из основного состояния запрещен. Возможен лишь переход в это состояние с возбужденного уровня без излучения энергии.
Дублетное состояние молекулы - состояние электронной оболочки, при котором суммарный спиновый момент может принимать одно из двух значений ± 1/2 (одиночный электрон на орбите).
Переход электрона из основного состояния So на возбужденные синглетные уровни S1, S2, S3 и т.д. сопровождается поглощением энергии. Молекула обладает колебательными (а) и вращательными (в) подуровнями, количество переходов очень велико и спектр поглощения молекулы полосатый, однако из-за большого количества возможных переходов для биологических молекул он ближе к непрерывному (сплошному).
Под спектром поглощения понимается график зависимости вероятности поглощения (или какой-то другой характеристики поглощения) от длины волны.
Колебательные подуровни энергии (подуровни первого порядка) и вращательные подуровни энергии (подуровни второго порядка) связаны с колебательным и вращательным движением атомов в молекулах. Амплитуда и частота этих движений определяется температурой. Для изменения этих параметров молекуле необходимо строго определенные порции энергии - кванты.
Таким образом, полная энергия молекулы, поглотившей квант света равна: Еполн = Еэлектр + Еколеб + Евращ
Спектр поглощения атома линейчатый, т.к. в атоме не могут возникать колебательных и вращательных подуровней энергии.
Спектр поглощения белка является сплошным. Однако он имеет два ярко выраженных максимума в области 220 и 280 нм. Ответственными за максимумы поглощения в этой области являются ароматические аминокислоты: тирозин, триптофан, фенилаланин.
Литература: Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978, с.67-84. Владимиров Ю.А.Биофизика,-1983, с. 30-36, 50-52. Лекции.
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 41 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |