Оптика.

Зменшення розмірів кристалічних зерен до нанометрових масштабів дозволяє створювати з склоподібних матеріалів нові оптичні середовища з дуже високими і регульованими коефіцієнтами заломлення, зміною забарвлення, міцності і т.д. Такі середовища називають наносклом. Області їх застосування надзвичайно різноманітні. Наприклад, із застосуванням нанотехнологій на поверхні стекол створюються стільникові структури, які заповнюються різними наноматеріалами. Такі скельця можуть використовуватися для створення високоефективних пристроїв зберігання і передачі цифрової інформації. Також наноскло в комплекті з короткохвильовими лазерами дозволять виробляти надпотужні оптичні пристрої з пам’яттю і плівкові матеріали з підвищеною чіткістю зображення. Наноскло може застосовуватися для виготовлення оптичних перемикачів і тонких оптичних хвилеводів. У свідомості обивателя окуляри «хамелеони» і змінючі інтенсивність затемнення автомобільні скельця рідко зв’язуються з уявленнями про нанотехнології, але це саме так. У Центрі водних видів спорту в Пекіні, де нещодавно завершилася олімпіада, дах був виготовлений ​​із застосуванням наностекол, здатних змінювати інтенсивність забарвлення залежно від інтенсивності природнього освітлення, а також вигинатися всередину або назовні залежно від температурного режиму. Нанонаука і нанотехнологія є інтегрованим напрямом сучасних наук і технологій: фізики, хімії, біології та їх спеціалізацій (біохімії, біофізики, атомної мікроскопії), а також інформаційних технологій, біотехнології, матеріалознавства. Отже, нанонаука має міждисциплінарний характер, а тому цілком логічно припустити, що уявлення про цю науку буде потрібно в будь-якій сфері вашої майбутньої професійної діяльності.

Тема: «Резонансні методи квантової механіки. ЯМР – томографія».

Лекція №7.

Тема: «Резонансні методи квантової механіки. ЯМР – томографія».

Література: В.П.Марценюк та ін. «Медична біофізика і медична апаратура», ст. 228 – 233.

Резонансні методи квантової механіки

I. Електронний парамагнітний резонанс.

Атоми парамагнетиків мають власне магнітне поле. У зовнішньому магнітному полі енергетичні рівні атома розщеплюються на підрівні – ефект Зеємана.

Е₂

Е₁ ↑ν_рез=ΔЕ/h ΔЕ= Е₂ – Е₁

Якщо таку речовину опромінювати електромагнітними хвилями, то електрон буде поглинати ті кванти, частота яких ν_рез=ΔЕ/h, де ΔЕ – різниця енергій підрівнів.

Озн. Електронним парамагнітним резонансом називається вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти парамагнетичною речовиною в постійному магнітному полі, зумовлене переходом електрона між підрівнями Зеєманівського розщеплення енергетичних рівнів (ЕПР). ЕПР спостерігається, якщо на речовину одночасно діють:

А) постійне магнітне поле;

Б) електромагнітна хвиля з частотою ν_рез.

ЕПР можна спостерігати так: при ν_рез – const плавно змінювати індукцію В. Резонансне поглинання буде при деякому значенні В (в інтервалі ΔВ), ширина інтервалу залежить від часу життя збудженого стану.

Застосування: Застосовують спектрометр ЕПР: в магнітне поле (В – змінюється) розміщують речовину і пропускають через неї СВЧ-випромінювання певної частоти. Приймач забезпечує спостереження і запис спектрів. ЕПР застосовують для медико-біологічних досліджень:

1. Виявлення і дослідження вільних радикалів (вони прармагнетики). Дослідження опромінених білків дозволило пояснити механізм утворення вільних радикалів і простежити зміни первинних і вторинних продуктів радіаційного ураження;

2. Визначають канцерогенну активність речовин;

3. Спін-мітки: до біологічної молекули приєднується відоме парамагнітне з’єднання. Можна отримати інформацію про положення різних груп атомів у молекулі про природу і орієнтацію хімічних зв’язків;

4. Спінові зонди – парамагнітні частинки, які нековалентно зв’язані з молекулами досліджуваних речовин. Зміна ЕПР-спектра – зондів свідчить про зміну стану оточуючих молекул. Можна визначити мікров’язкість, напруження ліпідів.

II. Ядерний магнітний резонанс (1946р. Блох і Парселл)

Суть: ядра атомів складаються з протонів і нейтронів, які мають магнітні моменти. Магнітний момент ядра складається з магнітних моментів протонів і нейтронів. У зовнішньому магнітному полі енергетичні рівні ядра розчіпляються на підрівні. Якщо подіяти електромагнітними хвилями, то буде поглинання тієї частоти ν_рез, яка відповідає різниці енергії підрівнів;

ν_рез=ΔЕ/h

Озн. Ядерний магнітний резонанс - це вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти ядрами в постійному магнітному полі, зумовлене розщепленням енергетичних рівнів ядра або переорієнтацією магнітних моментів ядер.

ν_рез залежить від оточення даного атома, тому в медицині ядерний магнітний резонанс дає змогу досліджувати морфологію тканин.

ЯМР-томографи: замінено МРТ – магніто-резонансні томографи.

В основному розглядаються ядра водню-протони. По резонансу по них можна встановити неоднорідностей у водовмісних тканинах.

Реально: в томографах частота електромагнітної хвилі не змінюється, а «прощупування» різних областей досягається плавною зміною зовнішнього магнітного поля, яке створюється електромагнітами.

Генератор хвилі посилає імпульс певної довжини, ядра перерізу переходять в збуджений стан і під час паузи випромінюють електромагнітну хвилю тієї ж частоти, яка уловлюється котушкою генератора. Керуючи постійним магнітним полем, задаючи характер його зміни у просторі можна обирати площини перерізів, де досліджується концентрація потрібних ядер. ν = 42,58٠ 2π - для водню. Отримуємо зображення малорухомих тканин. Області з малою густиною протонів: повітря, кістки, а також рухомі речовини (кров, лімфа) дають слабі зображення – темні області. Швидкість затухання МР-сигнала залежить від фази (у рідині повільні) і злоякісні пухлини збільшують час на 30-35%. Кушетка з пацієнтом рухається відносно котушки, час 0,5-1 год., шари 3-4 мм. Більш інформативна ніж КТ.

Співвідношення невизначеності Гейзенберга

В квантовій механіці існують обмеження в можливостях одночасного визначення координати частинки і величини її імпульсу.

Δx = Δp_x ≥ħ

Чим точніше визначена одна з цих двох змінних величин, тим з меншою точністю може бути визначена інша і навпаки.

Хвильові властивості мікрочастинок

Корпускулярно-хвильовий дуалізм: має універсальний характер. Вперше ця ідея висловлена фіранцузьким фізиком Лії де Бройлем у 1924 р. Всі частинки, які мають певний імпульс, мають хвильові властивості:

P= λ - довжина хвилі де Бройля.

Формула де Бройля експериментально підтверджена дослідами з розсіюванням частинок на кристалі.

Поняття про електронний мікроскоп

Якщо взяти фольгу 10^-5 см з золота і пропустити електрони, то побачимо дифракційну картину:

В електронному мікроскопі замість променів жмуток електронів, а замість лінз – магнітні поля. Можна розглянути предмети зрівняні з атомами.

Самостійна робота №14.

Тема: «Роль магнітно – резонансної терапії в лікуванні захворювань».

Література: В.П Марценюк та ін. «Медична біофізика і медична апаратура», ст..230 – 233, 274 – 279.

Питання.

1.Фізичні основи магнітно – резонансної томографії.

2.Діагностику захворювань яких органів здійснюють за допомогою МРТ?(застосуйте для відповіді +--вказаний вище підручник).

Теоретичні відомості.

Ядерний магнітний резонанс (1946р. Блох і Парселл)

Суть: ядра атомів складаються з протонів і нейтронів, які мають магнітні моменти. Магнітний момент ядра складається з магнітних моментів протонів і нейтронів. У зовнішньому магнітному полі енергетичні рівні ядра розчіпляються на підрівні. Якщо подіяти електромагнітними хвилями, то буде поглинання тієї частоти ν_рез, яка відповідає різниці енергії підрівнів;

ν_рез=ΔЕ/h.

Озн. Ядерний магнітний резонанс - це вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти ядрами в постійному магнітному полі, зумовлене розщепленням енергетичних рівнів ядра або переорієнтацією магнітних моментів ядер.

ν_рез залежить від оточення даного атома, тому в медицині ядерний магнітний резонанс дає змогу досліджувати морфологію тканин.

ЯМР-томографи: замінено МРТ – магніто-резонансні томографи.

В основному розглядаються ядра водню-протони. По резонансу по них можна встановити неоднорідностей у водовмісних тканинах.

Реально: в томографах частота електромагнітної хвилі не змінюється, а «прощупування» різних областей досягається плавною зміною зовнішнього магнітного поля, яке створюється електромагнітами.

Генератор хвилі посилає імпульс певної довжини, ядра перерізу переходять в збуджений стан і під час паузи випромінюють електромагнітну хвилю тієї ж частоти, яка уловлюється котушкою генератора. Керуючи постійним магнітним полем, задаючи характер його зміни у просторі можна обирати площини перерізів, де досліджується концентрація потрібних ядер. ν = 42,58٠ 2π - для водню. Отримуємо зображення малорухомих тканин. Області з малою густиною протонів: повітря, кістки, а також рухомі речовини (кров, лімфа) дають слабі зображення – темні області. Швидкість затухання МР-сигнала залежить від фази (у рідині повільні) і злоякісні пухлини збільшують час на 30-35%. Кушетка з пацієнтом рухається відносно котушки, час 0,5-1 год., шари 3-4 мм. Більш інформативна, ніж КТ.

Самостійна робота №15.

Тема: «Електронні мікроскопи, їх види та призначення».

Література: А.Ф.Шевченко «Основи медичної і біологічної фізики», ст.576 – 577.

Питання.

1.Чим замінені світлові промені і лінзи в електронному мікроскопі?

2.Якими способами можна отримати зображення в електронному мікроскопі?

3.Якого збільшення можна досягти в електронних мікроскопах?

Теоретичні відомості.

Електронний мікроскоп(ЕМ) - прилад, що дозволяє отримувати зображення об'єктів з максимальним збільшенням до 10⁶ разів, завдяки використанню, на відміну від оптичного мікроскопа, замість світлового потоку жмутка - прискорених до великих швидкостей електронів (наприклад, в просвічуючих мікроскопах прискорююча напруга 1 МВ).

Роздільна здатність електронного мікроскопа в 1 000 - 10 000 разів перевершує здатність традиційного світлового мікроскопа і для кращих сучасних приладів може бути менше одного ангстрема. Для отримання зображення в електронному мікроскопі використовуються спеціальні магнітні лінзи, що керують рухом електронів в колоні приладу за допомогою магнітного поля.

Історія створення електронного мікроскопа

У 1931 році Р. Руденберг отримав патент на електронний мікроскоп, що просвічує, а в 1932 році М. Кнолль і Э. Руска побудували перший прототип сучасного приладу. Ця робота Э. Руски в 1986 році була відмічена Нобелівською премією з фізики, яку присудили йому і винахідникам скануючого зондового мікроскопа Герду Карлу Биннигу і Генріху Рореру. Використання електронного мікроскопа, що просвічує, для наукових досліджень було розпочате у кінці 1930-х років і тоді ж з'явився перший комерційний прилад, побудований фірмою Siemens.

Наприкінці 1930-х - початку 1940-х років з'явилися перші растрові електронні мікроскопи, що формують зображення об'єкта при послідовному переміщенні електронного зонда малого перетину по об'єкту. Масове застосування цих приладів у наукових дослідженнях почалося в 1960-х роках, коли вони досягли значної технічної досконалості.

Значним стрибком (в 70-х рр.) у розвитку електронної мікроскопії було використання замість термоемісійних катодів - катодів Шоттки і катодів з холодною автоемісією, проте їх застосування вимагає значно більшого вакууму.

Наприкінці 90х - початку 2000х комп'ютеризація та використання ПЗС-детекторів значним чином збільшили стабільність і (відносно) простоту використання електронних мікроскопів..
В останнє десятиріччя в сучасних передових просвічуючих електронних мікроскопах використовуються коректори сферичної і хроматичної аберацій (що вносять основне спотворення в одержуване зображення), проте їх застосування деколи значно ускладнює використання приладу.

Види електронних мікроскопів.

Просвічуюча електронна мікроскопія

У просвечуючому електронному мікроскопі використовується високоенергетичний електронний жмуток для формування зображення. Електронний жмуток створюється за допомогою катода (вольфрамового, LaB6, Шотткі або холодної польової емісії). Отриманий електронний жмуток прискорюється зазвичай до +200 кеВ (використовуються різні напруги від 20кеВ до 1МеВ), фокусується системою магнітних лінз (іноді електростатичних лінз), проходить через зразок так, що частина електронів розсіюється на зразку, а частина - ні. Таким чином, жмуток, що пройшов через зразок, несе інформацію про структуру зразка. Далі жмуток проходить через систему збільшуючих лінз і формує зображення на люмінесцентному екрані (як правило, з сульфіду цинку), фото- пластинці або CCD - камері.
Деякі сучасні ПЕМ мають коректори сферичної аберації.
Основними недоліками ПЕМ є необхідність у дуже тонкому зразку (порядка 100нм) і нестійкість (розкладання) зразків під жмутком.

Просвічуюча растрова(скануюча) електронна мікроскопія (ПРЕМ)

Один з типів просвічує електронної мікроскопії (ПЕМ), проте є прилади працюють виключно в режимі ПРЕМ. Пучок електронів пропускається через відносно тонкий зразок, але, на відміну від звичайної просвічує електронної мікроскопії, електронний пучок фокусується в точку, яка переміщається за зразком по растру.

Растрова (скануюча) електронна мікроскопія

В основі лежить телевізійний принцип розгортки тонкого жмутка електронів по поверхні взірця.

Недоліки електронних мікроскопів.

Електронні мікроскопи дорогі у виробництві та обслуговуванні, але загальна та експлуатаційна вартість конфокального оптичного мікроскопа порівняна з базовими електронними мікроскопами. Мікроскопи високого розрішення повинні розміщуватися в стабільних (без вібрацій) приміщеннях, часто під землею, і без зовнішніх електромагнітних полів.
У більшості випадків зразки повинні спостерігатися у вакуумі, так як молекули атмосфери будуть розсіювати електрони. Втім існують методики, що дозволяють частково обійти це обмеження.

Сфери застосування електронних мікроскопів

Сфери застосування електронних мікроскопів в біології і біологічних науках:
• Кріобіологія
• Локалізація білків
• Електронна томографія
• Клітинна томографія
• Кріо -електронна мікроскопія
• Токсикологія
• Біологічне виробництво і моніторинг завантаження вірусів
• Аналіз частинок
• Фармацевтичний контроль якості
• 3D зображення тканин
• Вірусологія
• Склування Наукові дослідження
• Кваліфікація матеріалів
• Підготовка матеріалів та зразків
• Створення нанопрототипами
• нанометрології
• Тестування і зняття характеристик пристроїв
• Дослідження мікроструктури металів
промисловість
• Створення зображень високої роздільної здатності
• Зняття мікрохарактерістік 2D і 3D
• Макрообразци для нанометріческой метрології
• Виявлення і зняття параметрів частинок
• Електронна літографія
• Експерименти з динамічними матеріалами
• Підготовка зразків
• Судова експертиза
• Видобуток і аналіз корисних копалин
• Хімія / Нафтохімія
• Фрактографія

Скануючий електронний мікроскоп з рентгенівським мікроаналізатором та катодолюмінесцентним детектором. Можна спостерігати об’єкти розміром 0,001мкм – 1нм.

Зображення голови комахи. Цифровий Скануючий електронний мікроскоп CamScan MX 2500S(CamScan Electron Optics, Ltd, UK) (СЕМ) призначений для спостереження мікрооб'єктів при збільшеннях від 8х до 500'000х, дослідження їх топографії(морфологічних елементів поверхні), фазової неоднорідності і позиціонування електронного пучка для подальших рентгенівських і катодолюмінесцентних вимірів. Детектор вторинних електронів(SE) Эверхарта-Торнли призначений для реєстрації низько енергетичних вторинних електронів, що формують топографічне зображення(з дозвільною здатністю <3 nm при 30 kV прискорюючої напруги). Детектор оберненорозсіяних електронів(BSE) дозволяє виявити фазову неоднорідність об'єкту. Катодолюмінесцентне зображення тонкої зональності кристала циркону.

Зображення в електронному мікроскопі.

Цифровий скануючий мікроскоп. Застосовується для спостереження об'єктів при збільшенні від8 до 500 000 разів.

Просвічуючий електронний мікроскоп, збільшення в 70тис. разів. Можна досліджувати клітини.

Порівняно з світловими мікроскопами Е. м. мають значно кращу роздільну здатність і велике збільшення. Роздільна здатність сучас. Е. м. досягає 1-2нм, збільшення

- кількох мільйонів разів. За характером дослідження об'єктів Е. м. поділяють на просвічуючі, відбивні, растрові, емісійні, тіньові та дзеркальні. У просвічуючи х Е. м. (мал.) зображення створюється за допомогою електронних лінз електронами, які пройшли крізь досліджуваний об'єкт, у відбивних - розсіяними (відбитими) електронами. У растрових Е. м. електронний пучок фокусується лінзами у тонкий проміньзонд, який неперервно оббігає (сканує) поверхню об'єкта. Зображення у таких мікроскопах спостерігається на екрані електронно-променевої трубки. За допомогою растрових Е. м. досліджують як прозорі, так і непрозорі для електронів об'єкти. В емісійних Е. м. досліджуваний об'єкт сам випромінює електрони, які потім прискорюються і проходять крізь лінзи. У тіньових Е. м., як і в растрових, електронні лінзи служать лише для створення електронного зонда, який на віддаленому від об'єкта екрані або фотопластинці дає тіньове зображення об'єкта. У дзеркальних Е. м., за допомогою яких визначають розподіл електр. потенціалу біля поверхні досліджуваного зразка, електрони відбиваються від еквіпотенціальної поверхні, що створюється перед зразком. Найпоширенішими Е. м. є просвічуючі і растрові. Електронні мікроскопи застосовують у наук. дослідженнях (у хімії, біології, медицині і т. д.) та для контролю в галузях мікроелектроніки, техніки напівпровідників тощо.

Тема №8: «Оптичні явища, їх використання в медицині».

Лекція №8.

Тема: «Оптичні явища, їх використання в медицині».

Література: В.П.Марценюк гл. 6.5, 6.6.

А.Ф.Шевченко § 139, 140 – 143, 148 – 156, 159

Елементи геометричної оптики.

Сучасна теорія світла – квантова:

1) з одного боку світло – це електромагнітна хвиля, що сприймається оком:

4 ·1014 – 7,5 · 1014гц, 380 нм – 760нм (дати означення інтерференції, дифракції, поляризації)

2) з іншого – це потік частинок: квантів або фотонів..

Геометрична оптика – розділ оптики, що вивчає закон розповсюдження світла в прозорих середовищах на основі уявлення про свіловий промінь(промінь – це напрямлена пряма, вздовж якої розповсюджуються світлові коливання);

Закон відбивання:

а) промінь, що падає, відбитий промінь і перпендикуляр, до межі, проведений

через точку падіння, лежать в одній площині;

б) кут падіння дорівнює куту відбивання;

Закон заломлення:

а) промінь, що падає, заломлений промінь і перпендикуляр до межі,

проведений через точку падіння, лежать в одній площині;

б) відношення синуса кута падіння до синуса заломлення є величина стала для

даних двох середовищ і називається відносним показником заломлення

другого середовища відносно першорго:

Якщо перше середовище – вакуум, то відношення (1) називається абсолютним показником заломлення і є табличним даним.

ρ n_пов. ; n_води; ; n_скла

Відносний показник зв’язаний з абсолютними:

Середовище з більшим абсолютним показником називається оптично більш густе, з меньшим – оптично меньш густе.

Хід променя:

а) промінь переходить з оптично меньш в більш густе середовище:

відхилення ближче до перпнедикуляру.

n=1,3

n = 1,6

б) з більшого в менш густе: відхилення далі від перпендикуляру.

n=1.6

n=1.3

Повне внутрішнє відбивання.

Якщо промінь переходить з оптично більш – в меншь густе середовище, то при деякому куті падіння він не перейде в друге середовище, а відіб’ється від межі найменший кут при цьому називається граничним кутом повного відбивання

Формула для знаходження α₀: sinα₀ =

Явище повного відбивання застосовується в світловодах (волоконна оптика).

Світловод складається з кількох десятків світловолокон; будова світловолокна:

оболонка nоб < nнитки

кварцова нитка

Промінь проходить по нитці за рахунок повного відбивання.

Світловоди застосовуються в ендоскопах – приладах для розглядання внутрішніх порожних. По одній частині волокон світло потрапляє до порожнини і освітлює її, по іншій - відбите світло повертається в окуляр. В ендоскопах може бути канал для гнучких інструментів.

Лінзи.

Означення: лінза – це прозоре тіло, обмежене двома опуклими чи вогнутими поверхнями (одна може бути плоскою).

Головна оптична вісь – пряма, що проходить через центри сферичних поверхонь.

І класифікація: лінзи діляться на

а) опуклі (посередині товщі):

Дата добавления: 2015-09-03