Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АрхитектураБиологияГеографияДругоеИностранные языки
ИнформатикаИсторияКультураЛитератураМатематика
МедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогика
ПолитикаПравоПрограммированиеПсихологияРелигия
СоциологияСпортСтроительствоФизикаФилософия
ФинансыХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника

Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины. 1 страница



Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины.

Биофизика - это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических систе­мах на разных уровнях организации и являются основой физиоло­гических актов.

Основная задача биофизики заключается в том, чтобы на конкретном биологическом материале показать, каким образом фи­зические, физико-химические и химические процессы, протекаю­щие в живом организме «согласно тем же самым законам, но при иных условиях, чем в неорганическом мире», переходят в качест­венно новые, уже физиологические явления.

Биофизика как самостоятельная наука, выделилась из многих дисциплин: физиологии, биохимии, физической химии, физики. Особенно большое значение для биофизики имело развитие фи­зической химии, которая позволяет установить более продуктивную связь между физикой и биологией. На основе этого Б.Н. Тарусов дал определение биофизики как физической химии и химической физики биологических систем.

При биофизических исследованиях применяются в основном физические и физико-химические методы. Они должны обладать высокой чувствительностью и точностью, а электрические токи и источники излучения должны быть очень слабыми, чтобы мини­мально нарушать живую систему. Биофизика широко использует:

- усилительную технику, т.к. изучаемые параметры имеют ма­ленькую амплитуду;

- математические методы анализа;

- физическое и математическое моделирование;

- вычислительную технику.

Благодаря этому биофизика поднимает биологию и медицину до уровня точных наук. Тем не менее, требования, налагаемые биоло­гическим объектом и задачами исследования, привели к сущест­венной трансформации первоначальных физических методов и приборов, так что во многих случаях можно говорить о создании новых, биофизических методов. Так, например, техника измерения биопотенциалов нервных клеток с использованием микроэлектро­дов и аппаратуры для фиксации напряжения заметно отличается от электрометрических методов, применяемых в различных разделах физики.

Принципиально новой, разработанной специально для изучения структуры глобулярных белков, оказалась техника рентгеноструктурного анализа, которая обусловила качественно новый этап в расшифровке структуры белковых молекул.



Современная биофизика - одна из фундаментальных биологиче­ских дисциплин, и ее знание - необходимый элемент общебиологической подготовки врача.

По решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики к разделам этой дисциплины относятся:

- молекулярная биофизика;

- биофизика клетки;

- биофизика органов чувств;

- биофизика сложных систем.

Молекулярная биофизика рассматривает строение и физи­ческие свойства биологических молекул, главным образом белков и нуклеиновых кислот, а также кинетику и термодинамику биологи­ческих процессов.

Биофизика клетки исследует:

- ультраструктуру клет­ки, ее физические и физико-химические особенности,

- физико-химические проявления функциональной активности кле­ток; проницаемость, биоэлектрические

потенциалы и пр.

Биофизика органов чувств изучает процессы трансформации энергии внешних стимулов в специфические реакции нервных кле­ток и механизм кодирования информации.

биофизика сложных систем исследует проблемы регулирова­ния и саморегулирования живых систем.

В настоящее время сформировалась медицинская физика. Ос­новная задача медицинской физики - это выявление физических и физико-химических параметров, которые можно было бы исполь­зовать для диагностики функционального состояния организма. О нарушении жизненных процессов можно судить по изменению этих параметров.

Известно, что характерным свойством живых клеток является наличие мембранного потенциала, способность удерживать ионные г++

радиенты, способность поляризоваться ток, наличие электро­кинетического потенциала, способность к хемилюминесценции, движение цитоплазмы. Методы, основанные на регистрации биопотенциалов, стали классическими – это электрокардиография, электро­энцефалография и т.д.

Следующей важной проблемой медицинской физики является углубление представлений о механизмах действия на организм тех факторов, которые применяются в физиотерапии: диатермии, индуктотермии, УВЧ-терапии, рентгенотерапии и пр. Это позволяет более эффективно использовать их для лечения ряда заболеваний.

Следующая важная проблема медицинской физики - исследова­ние физических и физико-химических основ патологических про­цессов. Благодаря физике в настоящее время открыта новая глава патологии - физико-химическая патология.

В процессе биофизических исследований была выявлена роль ионных и коллоидных явлений в воспалительном процессе.

Физико-химическую интерпретацию получили закономерности клеточной проницаемости и ее изменений при патологических процессах.

На основе изучения механизма действия ионизирующей ра­диации были получены вещества, осуществляющие химическую защиту от радиации при их введении в организм перед облучением - радиопротекторы.

Исследование электрических явлений в костях позволило раз­работать метод заживления костных переломов с помощью элек­трического тока.

Изучение проницаемости клеток позволяет фармакологам и ток­сикологам установить закономерности всасывания и выведения препаратов.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с. 14-19; лекции.

 

Вопрос 2. Современные представления о свете. Интерференция света. Условия интерференции света. Интерферометры: устройство, применение. Интерференционный микроскоп.

Видимый свет - это электромагнитные волны с длиной волны от 800 до 1400 нм. Природа света двойственна, дуалистична. Это означает, что свет проявляет себя и как электромагнитная волна, имеющая частоту n и как поток частиц - фотонов, обладающих энергией Е = h × n. Испускается и поглощается свет как частица, а распространяется как электромагнитная волна. Распространяется свет равномерно, с постоянной скоростью c=300 000 км/с.

Интерференция света - явление наложения когерентных свето­вых волн, дающее устойчивую интерференционную картину. Интер­ференционная картина - это картина, показывающая постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний в пространстве.

Условие интерференции света - интерференцию света можно получить, если световые волны когерентны:

- волны имеют одинаковую плоскость поляризации;

- волны имеют одинаковую частоту;

- волны имеют постоянную во времени разность фаз.

S1 X1 S1 - источник 1-ой волны, X1 - путь, пройденный 1-ой волной;

S2 - источник 2-ой волны, X2 - путь, пройденный 2-ой волной;

ΔХ X2 ΔX = Х2 - X1 — геометрическая раз­ность хода;

S2

 

Если N1 и N2 - показатели преломления сред, где распространя­ются волны света, то рассчитывается

оптическая раз­ность хода: d = X2× N2 - X1× N1.

Условия усиления и ослабления волн:

- если на разности хода укладывается четное число полуволн, то в данной точке будет усиление амплитуды

результирующей волны, т.е. максимум интерференции: ΔX = 2 m× l/ 2 = m× l, где m = 0,1...- порядок максимума.

- если на разности хода укладывается нечетное число полу­волн, то в данной точке будет ослабление амплитуды

результирующей волны, т.е. минимум интерференции: ΔX = (2 m + 1) × l/ 2

Интерференция света нашла применение в приборах - интерфе­рометрах, применяемых для измерения с высокой степенью точно­сти длин волн, небольших расстояний, показателей преломле­ния веществ и определения качества обработки оптических по­верхностей.

Действие интерферометра Майкельсона:

- луч 1 монохроматического света от источника S падает под уг­лом 45° на плоскопараллельную пластину А,

поверхность которой полупрозрачна, т.к. покрыта тонким слоем серебра. Луч расщепляется на два луча 2 и 3,

интенсивности которых равны;

- луч 2 доходит до зеркала 1, отражается, преломляется и вы­ходит из пластины А - луч 2';

- луч 3 идет к зеркалу 2, отражается, возвращается к пластине А, где частично отражается - луч З';

- лучи 2' и 3', которые попадают в глаз наблюдателя, когерентны, а значит дают интерференционную картину,

если лучи 2' и 3'пройдут одинаковый путь, то при наложении они дадут максимум (усиление).

По интерференционной картине можно определить длину волны и показатель преломления среды.

Интерферометр, приспособленный для измерения показателя преломления, называется интерференционным

рефрактометром.

 

 

 


Сочетание двухлучевого интерферометра и микроскопа получило название интерференционного микроскопа, который использует­ся в биологии для измерения показателя преломления, концентра­ции сухого вещества и толщины прозрачных микрообъектов.

 

 

Принципиальная схема интерференционного микроско­па

Луч света в точке А раздваивается, один проходит через проз­рачный объект М, а другой - вне его. В точке Д лучи соединяются, интерферируют, по результатам интерференции судят о размерах М.

 
 

М


А Д

 
 

 


Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.415-424; лек­ции.

 

Вопрос 3. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дифракционный спектр. Дифракция электромагнитных волн на пространственных структурах. Основы рентгеноструктурного анализа. Формула Вульфа-Бреггов.

Дифракцией света называют явление отклонения света от пря­молинейного распространения в среде с резкими неоднородностями, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Наблюдать дифракцию можно с помощью дифракционной решетки. Решетки бы­вают прозрачные и отражательные.

Устройство дифракционной решётки: прозрачная дифракционная решетка представляет собою стек­лянную пластинку, на которой специальная машина наносит па­раллельные штрихи (царапины). На 1мм может быть нанесено 25; 50; 100 и т.д. штрихов. Чем больше штрихов, тем лучше качество решетки.

Период решетки d = а + в, где а - размер прозрачного отверстия; в - размер непрозрачного участка.

Ход лучей в дифракционной решетке: А В

АВ - фронт падающей волны; j ΔX

АС - фронт дифрагированной волны;

Л - собирающая линза; С

экран, расположенный в фокусе линзы. j

СВ = Δ X - разность хода лучей.

Из ΔАСВ: ΔХ =АВ× sinj = d× sinj. Л

Для точки максимума ΔX = m× l,

поэтому d× sinj = m× l.

Это формула дифракционной решетки,

где m = 0,1.2,3... - порядок максимума.

На экране мы видим интерференционную

картину, т.е. в одних точках идет экран

усиление света (М1...), а в других ослабление М2 М1 М0 М1 М2

(между точками M12...). Она образуется потому, что на дифракционной решетке свет отклоняется от прямолинейного распространения на угол j <± 90°, т.е. каждая точка щели становится источником вторичных сферических волн, которые, накладываясь друг на друга, дают на экране интерференционную картину.

Если свет монохроматический, например; красный, то максиму­мы окрашены в один цвет (красный), а если на дифракционную решетку направить белый свет, то на экране мы увидим в центре максимум белого цвета - М0, а левее и правее будет цветной спектр, причем фиолетовые лучи отклоняются от центрального максимума меньше, чем красные, т.к. длина волны у фиолетовых лучей меньше чем у красных. Дифракционный спектр называется нормальным спектром.

Явление дифракции рентгеновских лучей лежит в основе рентгеноструктурного анализа, т.к. длина рентгеновских лучей l =10-10 м соизмерима с расстоянием между узлами кристаллической ре­шетки.

Если знать длину волны, то можно найти постоянную дифракцион­ной решетки d = m× l/ sinj или расстояние между узлами кристаллической ре­шетки. Пунктиром покажем две соседние кристаллографические плоско­сти.

2 1 1' 2'

A

 
 


q

 

 


В d Д

 

q

С


Луч 1 отражается от первой плоскости и дает луч 1'. Луч 2 отражается от второй плоскости и дает луч 2'. Лучи 1' и 2', накладываясь друг на друга, дают интерференционную картину, т.к. возникает разность хода ΔХ и лучи эти когерентны: Δ Х = ВС + СД = d× sinq + d× sinq = 2 d× sinq, где q - угол скольжения рентгеновских лучей по отношению к плоскости кристалла.

Если на разности хода будет укладываться целое число волн, то будет иметь место максимум (усиление):

Δ X = m× l или 2 d× sinq = m× l - это формула Вульфа-Бреггов.

Зная l можно определить расстояние между атомами кристалла: d = m× l/ 2 sinq.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.424-432; лек­ции.

Вопрос 4. Голография. Принципы получения и восстановления голограммы. Применение голографии в медицине.

Голография - метод записи и восстановления изображения, ос­нованный на интерференции и дифракции волн. В 1948 году анг­лийский физик Д. Габор впервые предложил новый способ записи и восстановления фронта световой волны.

Сравним голографию с фотографией. При фотографировании на фотопленке фиксируется интенсивность световых волн, отражен­ных предметом. Изображение в этом случае является совокупно­стью темных и светлых точек. Фазы рассеиваемых волн не регист­рируются и таким образом пропадает значительная часть информа­ции о предмете.

Голография позволяет фиксировать и воспроизводить более пол­ные сведения об объекте с учетом амплитуд и фаз волн, рассеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интерференции волн.

Для получения голограммы точки А на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны, источником которых является лазер:

- опорную волну, идущую от источника света;

- сигнальную волну, которая появляется при рассеивании (отражении) части опорной волны предметом и

содержит соответ­ствующую информацию о нем.

Наложение опорной и сигнальной волн на экране дает интерфе­ренционную картину, т.е. точки усиления и ослабления волн.

Интерференционную картину, образованную сложением сиг­нальной и опорной волн и зафиксированную на светочувствитель­ной пленке, называют голограммой.

При восстановлении голограмм на голограмму посылается пло­ская опорная волна:

При этом:

- изображение получается объемным, каждая точка голограммы несет информацию обо всем предмете.

- на одной фотопластинке можно получить 1024 голограммы путем изменения угла падения опорной волны или

изменения длины световой волны.

Применение голографии в медицине:

- при восстановлении голограмм мож­но изменять длину опорной волны. Так, например, голограмму,

полученную в невидимых лучах (ультрафиолетовых, инфракрасных, рентгеновских), можно восстановить в

видимом свете. Эта особен­ность голографии позволяет использовать ее как метод внутривидения

(интроскопии);

- особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив

голограмму в ультразвуко­вых механических волнах, ее можно восстановить видимым светом и использовать

в медицине для рассматривания внутренних орга­нов человека с диагностической целью, например, для

определения пола внутриутробного ребенка и т.д;

- еще одно медико-биологическое приложение голографии связа­но с голографическим микроскопом, т.к. если

голограмму, полу­ченную плоской опорной волной, осветить при восстановлении сферической волной, то

изображение получается увеличенным;

- голографию применяют для получения копий шедевров, хране­ния информации, так как 1 голографический

компакт диск может хранить информацию, записанную примерно в 200 томах энцикло­педии.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофнзика,-1987, с.435; лекции.

 

Вопрос 5. Поляризация света. Двойное лучепреломление. Поляризационные устройства: Призма Николя, поляроиды.

Электромагнитную волну, в которой векторы электрического Е и магнитного Н полей колеблются в определенных и взаимно пер­пендикулярных плоскостях, которые с течением времени не изме­няют своего положения в пространстве, называют плоско поляри­зованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е в направ­лении распространения электромагнитной волны, называется плоскостью поляризации, а плоскость, проходящая через вектор напряженности магнитного поля Н в направлении распространения электромагнитной волны - плоскостью колебании. Плоско поля­ризованную волну излучает отдельный атом.

Солнце и большинство искусственных источников света излу­чают естественный свет - свет, в котором вектор Е колеблется во всевозможных плоскостях, перпендикулярных направлению рас­пространения света.

Графическое изображение света

Устройство, позволяющее получить поляризованный свет из ес­тественного света, называют поляризатором. Оно пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плоскость - главную плоскость поляризатора.

Поляризатор, который используется для анализа поляризован­ного света, называется анализатором.

В XVII веке было обнаружено, что некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются за­коны преломления и поэтому этот луч называется обыкновенным, для другого законы преломления света не выполняются и луч назы­вают необыкновенный.

е - необыкновенный поляризованный луч; о - обыкновенный поляризованный луч.

Лучи о и е лежат во взаимно-перпендикулярных плоско­стях. Двойным лучепреломлением обладают кристаллы: исланд­ский шпат (СаСОз), кварц, турмалин и др. Эти кристаллы обладают оптической анизотропией. Показатель преломления и скорость рас­пространения лучей зависят от плоскости, в которой распространя­ется луч по отношению к самому кристаллу. Так для исландского шпата n0 = 1,66, n0 = 1,49 (для желтого света с длиной волны 589,3 нм).

Призма Николя используется для получения поляризованного света. Она пред­ставляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диа­гонали и склеенную канадским бальзамом. Для него n0 = 1,550, это значение лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата и позволяет обеспечить полное отражение обыкновенного луча на границе с канадским бальзамом.

о - обыкновенный луч; е - необыкновенный луч.

Необыкновенный луч идет параллельно нижней грани и является плоско поляризованным. Обыкновенный луч, испытав полное внутреннее отражение, может выводиться из кристалла или погло­щаться нижней гранью, которая делается зачерненной.

Поляроиды - поляризующие устройства. Они изготавливаются из кристаллов турмалина или герапатита, которые выкладываются на целлулоидной пленке определенным образом. Эти кристаллы обладают не только двой­ным лучепреломлением, но и дихроизмом, т.е. могут поглощать один из поляризованных лучей больше, чем другой. Так, в пла­стинке турмалина толщиной 1мм обыкновенный луч практически полностью поглощается, а необыкновенный луч не поглощается и является плоско поляризованным.

Призма Николя и поляроиды применяются в приборах, полу­чивших название поляризаторов. Поляризаторы применяются для определения концентрации оптически активных веществ в раство­рах.

Оптически активными веществами называются вещества, спо­собные вращать плоскость поляризации поляризованного света.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.439-442; лек­ции.

 

Вопрос 6. Оптическая активность веществ. Устройство и принцип действия поляриметра-сахариметра. Дисперсия оп­тической активности. Закон Био. Поляризационный микро­скоп.

Вещества, которые обладают свойством вращать плоскость по­ляризации поляризованного света, называются оптически актив­ными. Примеры оптически активных веществ:

а) неорганические вещества - кварц, киноварь, сернистая ртуть,

б) органические вещества - углеводы, сахара, белки, гормоны.

Оптически активные вещества бывают двух типов: левовращающие и правовращающие. Физические и химические их свойст­ва идентичны, но данные вещества оказывают различное физиоло­гическое действие на организм. Например, левовращающий хлормицетин (левомицетин) является активным антибиотиком. В то же время правовращающий хлормицетин совершенно неактивен.

Некоторые чистые жидкости обладают оптической активностью, например, скипидар. Некоторые оптически активные вещества сохраняют оптическую активность в растворе, например, раствор сахара в воде.

Для растворов установлен количественный закон:

угол поворота j плоскости поляризации прямо пропорционален концентрации оптически активного вещества с и толщине слоя раствора l: j = a × с × l, где

a - коэффициент пропорциональности, который получил название удельного вращения и зависит от природы вещества и длины волны;

с - концентрация оптически активного вещества;

1 - толщина раствора.

Используя свет различной длины волны, была обнаружена дисперсия вращения плоскости поляризации, т.е. зависимость угла поворота от длины волны.

Закон Био «удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины волны»: a = a / с.

Данный закон лежит в основе метода измерения концентрации растворённых оптически активных веществ. Этот метод получил название поляриметрии, а приборы поляриметров. Метод определения сахара в растворах получил название сахариметрии.

Устройство поляриметра.

S - источник света, Р - поляризатор, К - кювета с раствором оптически активного вещества, А - анализатор.

Устройство поляризационного микроскопа

S - источник света, Р - поляризатор, К - конденсор, П - предмет, Об - объектив, Ок – окуляр, А- анализатор.

Поляризационный микроскоп применяется для рассмотрения некоторых биологических тканей (мышечной, костной, нервной), обладающих оптической анизотропией.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.444-447: лек­ции.

 

Вопрос 7. Геометрическая оптика. Аберрация линз и спо­собы ее устранения.

Геометрическая оптика рассматривает вопросы, связанные с прямолинейным распространением света. К ним относятся законы изменения направления распространения света при отражении и при переходе света из одного прозрачного вещества в другое, на­пример, из воздуха в стекло. Геометрическая оптика есть предель­ный случай волновой оптики при стремлении длины волны к нулю.

Явление аберрации связано с искажением, даваемым оптиче­скими системами. Различают следующие виды аберрации линз:

- сферическая аберрация. Она выражается в том, что перифе­рические лучи сильнее отклоняются, чем

центральные для соби­рающих линз и наоборот, отклоняются меньше - для рассеиваю­щих, что вызывает

размытость изображения. Устраняется создани­ем систем вогнутых и выпуклых линз.

 

 

- астигматизм (бесточие). Этот вид аберрации выражается в том, что при прохождении через оптическую

систему сферическая волна перестает быть сферической. При этом различают два вида астигматизма:

а) астигматизм, вызванный лучами, падающими под значительным углом к оптической оси. В этом случае

изображение точечного объекта имеет вид короткой черточки, либо размытого кружка. Для исправления

создают систему линз, которые позволя­ют получать хорошие изображения при больших углах падения

лучей;

б) астигматизм, обусловленный различной кривизной линзы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Устраняется путем применения цилиндрических линз.

- хроматическая аберрация. Изображение предмета в белом свете, даваемое линзой, вследствие явления дисперсии по краям окрашено. Для ее устранения используют системы линз, сделанных из стекол с разной дисперсией (например, крона и флинта). Такая система носит название ахроматической.

 
 

 


Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика,-1987, с.449-452.

 

Вопрос 8. Полное внутреннее отражение света от границы раздела двух сред. Рефрактометрия. Волоконные световоды: устройство, принцип действия, использование в медицине.

Полное внутреннее отражение света наблюдается при переходе света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления. Угол преломления в этом слу­чае больше угла падения.

При некотором угле падения (луч 2) преломленный луч скользит вдоль границы раздела двух сред (угол преломления при этом ра­вен 90 градусов). Этот угол падения aпред называется предель­ным углом полного

внутреннего отражения.

2 n 1

2`

 

 

1` n 2

Если луч падает под углом больше предельного, то он полно­стью отражается от границы раздела двух сред.


Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 147 | Нарушение авторских прав







mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.041 сек.)







<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>