- •Раздел I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика 16 глава 1. Законы динамики ньютона. Законы сохранения 16
- •Вопросы и задачи к главе I. 33 глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе 52
- •Глава 4. Реальные газы 74
- •Вопросы и задачи и вопросы к главе 4. 82 глава 5. Поверхностное натяжение жидкости 82
- •Вопросы и задачи к главе 5 102
- •Глава 6. Вязкость жидкости 103
- •Вопросы и задачи к главе 6 116
- •Глава 7. Твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры 117
- •Глава 8. Процессы переноса 127
- •Раздел II колебания и волны 135
- •Глава 1. Механические колебания 135
- •Вопросы и задачи к главе 1. 153
- •Глава 2. Механические волны 153
- •Вопросы задачи к главе 2. 158
- •Глава 3. Звук 159
- •Вопросы и задачи к главе 3. 167
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине. Инфразвук
- •Вопросы задачи к главе 4 180
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны 181
- •Вопросы задачи к главе 5 201 глава 6. Оптика 201
- •Вопросы задачи к главе 6 251
- •Раздел III. Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел 253
- •Глава 2. Рентгеновское излучение 261
- •Глава 3. Радиоактивность 272
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений 282
- •Раздел IV. Биофизика 337 глава1 молекулярная биофизика 337
- •Глава 2. Биологические мембраны. 358
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем 386
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны
- •Глава 5. Биопотенциалы 416
- •Глава 6. Биофизика нервного импульса 427
- •Глава 7. Моделирование биологических процессов 446
- •Введение
- •Раздел I механика. Молекулярная физика. Термодинамика.
- •Глава 1 законы динамики ньютона. Законы сохранения.
- •1.1. Законы ньютона. Основные дифференциальные уравнения движения.
- •Здесь аx , аy , аz - проекции вектора ускорения на оси координат X , y и z;
- •1. 2. Законы сохранения импульса и энергии
- •. Задача о центральном ударе шаров: абсолютно упругом и абсолютно неупругом.
- •1.4 Физические основы центрифугирования
- •Глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •2.1 Отличия молекулярной структуры газов, жидкостей и твёрдых тел. Характер молекулярного движения в различных состояниях вещества. Аморфные и кристаллические жидкости и твёрдые тела
- •Примечание 2
- •2.2 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. Средняя квадратическая скорость молекул газа.
- •2.3 Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа. Распределение энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа
- •2.4 Распределение Максвелла молекул идеального газа по абсолютным значениям их скоростей.
- •2.5 Распределение Больцмана по потенциальным энергиям молекул идеального газа. Барометрическая формула Больцмана.
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе.
- •3.1. Особенности термодинамического метода. Первое начало термодинамики.
- •3.2. Применение первого начала термодинамики к равновесным изопроцессам идеального газа
- •Работа газа при его расширении
- •Теплоёмкость
- •Политропные процессы - процессы с постоянной теплоёмкостью.
- •Глава 4. Реальные газы
- •4.1.Уравнение состояния реального газа Ван - дер - Ваальса и изотермы Ван- дер - Ваальса.
- •4.2. Изотермы Эндрюса
- •Сжижение газов. Получение низких температур.
- •Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
- •5.3 Поверхностные явления на границе твёрдой, жидкой и газообразной фазы. Краевой угол смачивания. Смачивание и несмачивание твёрдой поверхности жидкостью.
- •5.4 Давление Лапласа. Капиллярные явления.
- •5.5 Методы определения коэффициента поверхностного натяжения
- •1. Метод отрыва капель
- •2. Метод отрыва кольца
- •Глава 6. Вязкость жидкости
- •6.1 Вязкость жидкости. Закон ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Реологические свойства биологических жидкостей в норме и при патологиях
- •6.2 Ламинарное течение жидкостей по цилиндрическим трубам с жёсткими стенками. Формула пуазейля. Закон гагена – пуазейля
- •1. Метод капиллярного вискозиметра (оствальда).
- •2. Метод падающего шарика (стокса)
- •Глава 7 твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры.
- •7.1. Фазовые переходы. Плавление, кристаллизация, сублимация.
- •7.2.Кинетические превращения. Стеклование и размягчение
- •7.3. Жидкие кристаллы
- •7.4. Кристаллические модификации твёрдых кристаллов.
- •7.5 Механические свойства твёрдых тел. Закон гука. Упругость и пластичность
- •7.6 Полимеры. Их кристаллическое, стеклообразное, высокоэластическое, вязкотекучее состояние.
- •Глава 8. Процессы переноса
- •8.1. Диффузия
- •8.2. Теплопроводность
- •8.3. Вязкость
- •8.5. Общий вид уравнений процессов переноса
- •Раздел II
- •Глава 1. Механические колебания
- •1.2. Свободные незатухающие механические колебания
- •1.3 Смещение, скорость и ускорение гармонически колеблющегося тела
- •1.4. Энергия гармонически колеблющегося тела
- •1.5. Свободные затухающие колебания
- •1.6 Вынужденные колебания. Резонанс
- •1.7. Автоколебания
- •1.8. Сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Теорема фурье. Гармонический спектр сложного колебания
- •Вопросы и задачи к главе 1
- •Глава 2. Механические волны
- •2.1 Механические волны, продольные и поперечные волны
- •2.2. Уравнение и график плоской незатухающей гармонической волны
- •2.3. Энергия волны. Поток энергии. Интенсивность.
- •Вопросы и задачи к главе 2
- •Глава 3. Звук
- •3.1. Субъективные (физиологические) характеритики восприятия звука и их связь с объективными, физическими характеристиками звуковой волны
- •3.2 Область слышимости
- •3.3. Закон вебера-фехнера
- •3.4. Уровень интенсивности
- •Уровень громкости, фон
- •Вопросы и задачи к главе 3
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук
- •4.1. Физические свойства ультразвука
- •1. Частотный диапазон ультразвука
- •2. Скорости распространения ультразвука
- •3. Особенности физических свойств ультразвука
- •4. Отражение ультразвука на границе раздела сред
- •5. Поглощение ультразвука
- •4.2 Действие ультразвука на вещество. Биологическое действие ультразвука
- •Механическое действие
- •2..Тепловое действие
- •3. Физико-химическое действие ультразвука
- •4. Биологическое действие ультразвука
- •1. Диагностика.
- •4.4.Источники и приёмники ультразвука
- •1. Пьезоэлектрические излучатели-приёмники
- •2. Магнитострикционные излучатели ультразвука
- •Инфразвук
- •Вопросы и задачи к главе 4
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны
- •5.1. Некоторые необходимые сведения об основах электричества и магнетизма.
- •Электрические заряды
- •Закон кулона
- •Электроёмкость электрического конденсатора
- •6) Сила ампера -
- •8) Закон электромагнитной индукции фарадея
- •11)Энергия магнитного поля катушки индуктивности
- •5.3. Идеальный колебательный контур
- •5.4. Реальный колебательный контур
- •5.4. Получение незатухающих электромагнитных колебаний
- •5.5. Основные положения теории максвелла
- •Глава 6. Оптика
- •Корпускулярно – волновая природа света
- •6.2. Интерференция света
- •. Разрешающая способность оптических приборов-
- •. Голография
- •Поляризованный свет
- •Естественный и поляризованный свет.
- •2. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.
- •3. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.
- •4. Двойное лучепреломление
- •Получение поляризованного света.
- •6. 11 Вращение плоскости поляризации. Оптическая активность. Поляриметрия.
- •Дисперсия света
- •Нормальная дисперсия
- •Качественное объяснение причины нормальной дисперсии
- •Аномальная дисперсия
- •Поглощение света
- •1.Закон Бугера - Ламберта
- •2. Закон Бера
- •Закон Бугера – Ламберта – Бера
- •Коэффициент пропускания и оптическая плотность. Колориметрия
- •2. Два вида рассеяния
- •3. Закон Рэлея
- •4.Турбидиметрия и нефелометрия.
- •6.14. Элементы геометрической оптики
- •Законы отражения и преломления света
- •Явления предельного преломления и полного внутреннего отражения
- •Волоконная оптика. Световоды
- •4.Линзы. Примеры построения изображений в тонких линзах
- •Микроскоп
- •Оптическая система глаза. Некоторые её недостатки, их исправление
- •Рефрактометр
- •Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел
- •Основные характеристики теплового излучения. Абсолютно чёрное тело
- •Закон кирхгофа
- •1.2 Спектр теплового излучения абсолютно чёрного тела.Закон вина. Закон стефана-больцмана.
- •1.3 Гипотеза планка. Формула планка
- •1.5. Примеры применения теплового излучения в фармации и медицине
- •Глава 2. Рентгеновское излучение
- •2.1 Простейшая рентгеновская трубка
- •2.2. Основные свойства рентгеновского излучения.
- •Рентгенодиагностика:
- •Рентгенотерапия.
- •Научные исследования.
- •2.4. Природа рентгеновского излучения
- •2.6 Характеристическое рентгеновское излучение
- •Глава 3. Радиоактивность
- •3.1. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Основные типы ядерных распадов.
- •3.2 Основной закон радиоактивного распада
- •3.3 Активность радиоактивных препаратов
- •3.4. Ядерные реакции. Меченые атомы
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений
- •2) Характеристическое рентгеновское излучение.
- •2) Характеристическое рентгеновское излучение.
- •Глава 5. Элементы квантовой механики.
- •5.1. Волновые свойства микрочастиц. Уравнение дё бройля
- •5.2. Электронный микроскоп
- •5.3. Основные положения квантовой механики
- •5.4. Решение уравнения шрёдингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками
- •Глава 6. Люминесценция
- •6.1. Виды люминесценции
- •6.2. Фотолюминесценция. Флюоресценция. Фосфоресценция
- •6.3. Спектр фотолюминесценции. Правило стокса
- •6.4. Люминесцентный анализ. Применение в фармации и медицине
- •6.5. Хемилюминесценция
- •Глава 7. Лазер
- •7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни
- •7.3. Свойства лазерного излучения
- •7.4. Применение лазерного излучения в фармации и медицине
- •Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.
- •8.1. Спектры испускания и спектры поглощения. Спектрографы. Спектрометры. Спектрофотометры
- •8.2. Атомарные спектры. Энергетические уровни атомов
- •8.3. Молекулярные спектры. Энергетические уровни молекул
- •8.4. Спектры комбинационного рассеяния
- •8.5. Радиоспектроскопия
- •Магнитные свойства вещества
- •Раздел IV. Биофизика
- •Глава 1. Молекулярная биофизика
- •Энтропийный характер упругости биополимеров в высокоэластическом состоянии.
- •1.4. Основные типы межатомных и межмолекулярных взаимодействий
- •1.Ионная связь
- •2.Ковалентная связь
- •3.Межатомное отталкивание
- •4. Донорно- акцепторная связь
- •5. Водородная связь
- •1. Ориентационная связь
- •3. Индукционная связь
- •3. Дисперсионная связь
- •4. Межмолекулярное отталкивание
- •5. Гидрофобные взаимодействия
- •Глава 2. Биологические мембраны
- •. Исследование структуры биологических мембран с помощью физических методов.
- •2.3. Жидкостно-мозаичная модель биомембран
- •2.4. Модельные липидные мембраны.
- •2.5. Физические свойства мембран и методы их исследования.
- •2.6. Физическое состояние и фазовые переходы фосфолипидного бислоя
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем.
- •3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.
- •3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
- •3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
- •3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.
- •4.1 Пассивный и активный транспорт веществ
- •Глава 5. Биоэлектрические потенциалы
- •5.1Виды биопотенциалов. Их виды: покоя, действия. Природа биопотенциалов
- •5.2. Методы регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды.
- •5.3 Биопотенциалы покоя. Уравнение Гольдмана, уравнение Нернста. Роль ионных насосов в создании биопотенциала покоя
- •Глава 6. Биофизика нервого импульса
- •6.1. Потенциал действия и его свойства
- •Уравнение Ходжкина-Хаксли
- •6.3.Метод фиксации мембранного потенциала. Ионные токи. Ионные каналы
- •Глава 7. Моделирование биофизических процессов
- •7.1 Моделирование биологических процессов. Моделирование физическое, аналоговое, математическое. Основные требования к моделям.
- •Математические модели роста популяции
- •7.3 Фармакокинетическая модель
Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
5.1 Молекулярные причины возникновения поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения. Поверхностно-активные вещества. Адсорбция.
Жидкое состояние, в отличие от газообразного, конденсированное- сгущённое: молекулы расположены близко друг от друга и поэтому сильно взаимодействуют между собой. Но, вместе с тем, в отличие от твёрдого, в жидком состоянии молекулы достаточно подвижны, они интенсивно перемещаются из одного места в другое (см. гл.2)
Молекула на поверхности жидкости находится в особом положении (рис.5.1).
Рис. 5.1. Молекула в объёме – а и на поверхности жидкости – б (объяснение в тексте)
Если равнодействующая всех сил, действующих на молекулу находящуюся в объёме жидкости, равна нулю рис.5.1 а), на поверхностную молекулу действует результирующая сила межмолекулярного взаимодействия , стремящаяся втянуть её вглубь жидкости (рис.5.1 б). Считаем, что над поверхностью жидкости газ, и из-за его низкой плотности и большого расстояния между молекулами силы межмолекулярного взаимодействия поверхностных молекул жидкости и молекул газа пренебрежимо малы.
Для увеличения поверхности жидкости надо вывести из объёма жидкости дополнительные молекулы на поверхность. А при этом нужно совершить работу против равнодействующей сил межмолекулярного притяжения (рис.5.1 б). Следовательно, для увеличения поверхности жидкости необходимо совершить работу. Эта работа прямо пропорциональна количеству выведенных на поверхность молекул и, следовательно, прямо пропорциональна увеличению площади поверхности жидкости:
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом поверхностного натяжения и обозначается .
(5.1)
Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения жидкости численно равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости на единицу площади:
(5.2)
При увеличении площади поверхности жидкости, увеличивается число поверхностных молекул, обладающих повышенной энергией, и поэтому происходит увеличение энергии Гиббса системы, равное:
А поверхностная энергия Гиббса:
(5.3)
При постоянном давлении p=const и температуре T=const система стремится к состоянию с минимумом энергии Гиббса
и поэтому жидкость стремится принять форму с наименьшей площадью внешней поверхности
И, на самом деле, в состоянии невесомости жидкость принимает шарообразную форму, которой соответствует при заданном объеме наименьшая площадь, и следовательно, наименьшая поверхностная энергия Гиббса.
Стремлением систем к состоянию с минимумом поверхностной энергии можно объяснить часто используемое в человеческой практике, в том числе в фармации, явление адсорбции - оседания веществ на поверхности. В этом случае речь идёт о поверхностных явлениях на поверхности твёрдого тела, например, на границе раздела твердого тела и жидкости. Здесь также возникает поверхностное натяжение из-за разницы межмолекулярных взаимодействий в жидкостях и твёрдых телах. Поверхность твёрдого тела поглощает из жидкости так называемые поверхностно-активные вещества (ПАВ). В силу особенности строения своих молекул, ПАВ снижают поверхностное натяжение и, соответственно, поверхностную энергию Гиббса. Поскольку это энергетически выгодно, поверхностно-активные вещества и оседают на поверхности.
Такова, например, причина поглощения токсинов поверхностью широко распространенного в фармации активированного угля. На этом же принципе основано применение поверхностно-активных веществ в качестве моющих средств, например, стиральных порошков. Энергетически выгодно, чтобы ПАВ оседали на поверхности тел, вытесняя оттуда грязь. Это первая стадия мытья - замачивание. Вторая - полоскание, заключается в удалении с поверхности водорастворимых моющих средств.
Коэффициент поверхностного натяжение может сильно меняться при добавлении ничтожных количеств примесей. На этом может быть, основано лечение веществами в гомеопатических концентрациях, поскольку огромную роль в функционировании организма играют явления на поверхностях, например, биологических мембран.
Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры. При критической температуре коэффициент поверхностного натяжения жидкости обращается в нуль.
Поверхностные явления играют исключительно важную роль в природе, в том числе, в жизненных процессах и широко используются на практике в медицине и фармации.
Коэффициент поверхностного натяжения биологический жидкостей - важный диагностический признак, позволяющий определять отклонения организма от нормы и диагностировать заболевания.
Коэффициент поверхностного натяжения - важный параметр качества лекарственных средств.
5.2 Силы поверхностного натяжения
Так как для увеличения площади поверхности жидкости на величину требуется совершить работу
A= ,
на поверхности действуют силы, препятствующие увеличению поверхности - силы поверхностного натяжения. Рассмотрим простой эксперимент (рис. 5.2).
Рис 5.2. Растяжение плёнки жидкости, натянутой на проволочную рамку с подвижной стороной АВ (объяснение в тексте)
Плёнка жидкости натянута на проволочную рамку с подвижной стороной АБ длиной l,и АБ перемещается под действием внешней силы на небольшое расстояние , при этом совершается работа
A = F∆x (5.3)
С другой стороны, эта работа равна, согласно 5.1
Но, так как изменение площади плёнки
,
то
(5.4)
Сравнивая 5.3 и 5.4 получаем
Внешняя сила F уравновешивает результирующую сил поверхностного натяжения и равна ей по абсолютной величине
и следовательно: FH = σ𝑙
Отсюда получаем ещё одно определение коэффициента поверхностного натяжения:
(5.5)
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность. Измеряется в ньютонах на метр.
На практике ещё применяется единица измерения коэффициента поверхностного натяжения в СГС:
=
Силы поверхностного натяжения направлены нормально к контуру, ограничивающего поверхность, то есть, перпендикулярно к касательным к линии контура в каждой его точке, и силы поверхностного натяжения тангенциальны поверхности, то есть лежат в плоскостях, касательных к поверхности жидкости в данной её точке. В этом легко убедиться, проделав такой опыт (см. рис.5.3 а и 5.3 б).
Рис 5.3.Плёнка жидкости, натянутая на проволочную рамку с нитяной петлёй – а. Если плёнку жидкости внутри петли прорвать, то петля принимает форму идеальной окружности, что доказывает, что силы поверхностного натяжения:
приложены к каждой точке контура, ограничивающего поверхность жидкости;
нормальны контуру;
тангенциальны поверхности жидкости.
На проволочной рамке плёнка жидкости, а в ней нитяная петля (рис.5.3 а) Если теперь прорвать плёнку внутри этой петли, силы поверхностного натяжения растянут петлю и придадут ей форму окружности (рис.5.3 б). На самом деле, силы поверхностного натяжения распределены по контуру, ограничивающему поверхность жидкости – по нитяной петле, направлены вдоль поверхности и по радиусам образовавшейся окружности, то есть перпендикулярно к касательным к окружности.