|
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.
|
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 M1-М2...). 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.
|
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 147 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |