42. Линейчатый спектр излучения атомов. Его объяснение в теории н.Бора.

Линейчатый спектр дают не взаимодействующие друг с другом атомы. Он состоит из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения. Спектральные линии можно характеризовать волновым числом и энергией фотона. Спектральн. линии подчиняются определенной закономерности и выделяются в отдельную группу. Наиб. четко прослеживаются спектральные серии у атома Н. Бальмер обнаружил, что ν=R(1/m² – 1/n²), где ν – частота, R – постоянная Реберга, m – номер серии. При m =1, n=2,3,4-серия 1, если m=2,n=3,4,5-серя 2 –видимая часть спектра. При m=3, n=4,5,6 – серия 3 – инфракрасная область.

Бор объяснил происхождение линейчатых спектров и структуру спектра атома Н. при возбуждении атом получает энергию, в зависимости от которой электроны переходят на возбужденные энергетические уровни. При возвращении на основной электрон излучает эту энергию в виде квантов, поэтому в спектре много линий, соответствующих энергетическим уровням атома и возможным переходам электрона. В 1913 году высказал, что существуют только те состояния, энергия которых равна Е=mν. Момент импульса у орбит удовлетворяет выражению: hν=En-Em=m_ee⁴/Eh²(1/n²-1/m²).

Постулаты Бора:

• Электрон, находясь на стационарной орбите, не излучает и не поглощает согласно Н Бору, стационарная орбита отвечает условию: mυr=hn/2π=hn (n=1,2,3,);υ – скорость эл.; mυ – импульс эл.; mυr – момент импульса эл.

• Атом излучает или поглощает при скачкообразном переходе эл. одного стационарного состояния на др: hν_ik=E_k-E_i

Серия 3. Пашен

Серия 2. Больмер

серия 1 Лайман

эксперимент и теория Бора соотв-т форм. Ридберга: ν=R(1/m²-1/n²)/

_______________________________________________________________________________________

№43. Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, ее экспериментальное обоснование.

В 1924 г Луи де Бройль высказал гипотезу об общности квантовых частиц света фотонов и частиц ве-ва. Есл фотоны кроме волновых свойств имеют корпускулярные, то движущиеся частицы вещества также обладают волновыми свойствами, кроме корпускулярных. Фотон – элементарная частица света, обладающая волновым свойствами. Луи де Бройль считал, что всякая движущаяся частица ве-ва имеет волновые свойства. Формула для импульса фотона: P=hν/c=hν была использована для др. микрочастиц массой m, движ-ся со скоростью υ:P=mυ=h/λ., откуда: λ=h/(mυ). Доказательство волновой теории стало явление дифракции электронов, кот было обнаружено в 1927 г. при использовании рассеяния электронов на кристаллах. Дифракцию можно наблюдать с помощью тонкой металлической фольги. Способностью дифрагировать обладают как заряженные (протоны, ионы), так и нейтральные (нейтроны, атомы, молекулы.)

Эл. пучок проходит через фольгу, и электроны рассеиваются в ее кристалликах, попадают на экран или фотопластинку, давая ряд концентрических темных и светлых колец. Только целое число n отражается на окружности.

фотопластинка

Эл. пучок фольга

_______________________________________________________________________________________

№44. Электронный микроскоп: принцип действия; разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях.

В эл. микроскопе используется явление рассеяния электронов на атомах и молекулах вещества 2/3 которых они проходят. Носителем информации является электрон, а их источник – подогреваемый катод, электронная пушка (фокусирующая электрод+анод) – ускоряет электроны и образует пучок. После взаимодействия с предметом, поток электронов содержит информацию о предмете, формирование потока происходит под влиянием электрического поля. Регистрация изображения происходит на чувствительной к электронам фотопленке z=0,1 нм – разрешающая способность определяется длиной волны летящего электрона, (предел разрешения=10^-10м – что в сотни раз больше оптического).

Плюс – высокая разрешающая способность, НО может происходить разрушение исследуемого объекта под действием высокой энергии Е_е и высокой скорости υ_е электронов. В тех местах, где пролетает электрон должен быть вакуум, т. к. столкновение электрона с молекулой О₂ приводит к искажению изображения. ЭВМ – современный отечественный электрический микроскоп (предел разрешения = 3*10^-10м). С помощью эл микроскопа исследуют микрообъекты: вирусы, бактерии, макромолекулы, открыли структуру ДНК.

_______________________________________________________________________________________

№45. Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров.

Атомные спектры – спектры испускания и поглощения, возникающие при квантовых переходах между энергетическими уровнями свободных и слабовзаимодействующих атомов. Обусловлены переходами между уровнями внешних электронов и энергии фотонов=несколько электронвольт. В спектре выделяют группы линий, называемые спектральными сериями. Каждая серия применима к спектрам испускания соотв. Переходам с различных уровней на один и тот же конечный.

В УФ области находятся линии серии Лаймана, которые образуются при переходе с верхних энергетических уровней на самый нижний: ν=me⁴/8E₀²h³(1/1²-1/n_i²)n_i=2,3,4,…

n – главное квантовое число, совпадающее с номером эн. уровня.

е – орбитальн. квантовое число, определяет форму орбиталей электронов, характеризует орбитальный момент импульс.

m – моментное квантовое число, хар-ет уменьшение положения плоскости орбиты электрона под действием меньшего магнитного поля.

При переходе с верхних энергетических уровней на 2-ой расположена серия Бальмера:

ν=me⁴/8E₀²h³(1/2²-1/n_i²), n_i=3,4,5

К ИК относится серя Пашена, переход с верхних уровней на 3-ий:

ν=me⁴/8E₀²h³(1/3²-1/n_i²), n_i=4,5,6.

Атомными спектрами наз-т как спектры испускания, так и спектры поглощения, возникающие при квантовом переходе между уровнями свободных атомов. Пр.: ультрафиолет, видимая инфракрасная область спектра.

Молекулярные спектры: возникают при квантовых переходах молекул с одного эн. уровня на др. и сотоят из совокупности более или менее широких полос, кот представляют собой тесно расположенные линии. Сложность этих спектров обусловлена большим разнообразием движений.

ν=1/h(∆E_эл+∆E_кол+∆E_вр). ∆E_эл>>∆E_кол>>∆E_вр

Е сли ∆Е_эл=0, а ∆Е_кол=0 и ∆Е_вр=0, то возникает колебательно-вращательный спектр. Если ∆Е_кол,∆Е_вр,∆Е_эл=0, то возникает электронно-колебательно-вращательный спектр.

_______________________________________________________________________________________

№46. Дискретность значений энергии вращения, колебаний и электронных переходов в молекулах. Молекулярные спектры поглощения.

Электронному, вращательному и колебательному движениям соотв-т 3 типа Е:

• Е_эл

• Е_кол

• Е_вр

Энергия всех видов движений в молекулах принимает только дискретные значения (квантуется). Е_{молекулы}=Е_эл+ Е_вр +Е_кол. При квантовых переходах атомы скачкообразно переходят из одного стационарного в др, с одного энергетич. уровня на др. квантовые переходы:

1. Без излучения и поглощения энергии;

2. С излучением фотона.

По интенсивности спектральных линий определяется состав ве-ва. Спектры – источники различной информации. Поглощаемая атомами Е – спектр поглощения. Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в секунду времени и поэтому зависит от ко-ва поглощающих атомов и вероятности соответствующего перехода.

Молекулярные спектры (испускания и поглощения) возникают при квантовых переходах с одного энергетич. уровня на др, состоит из совокупности широких, тесно расположенных друг к другу полос. Молекулярные спектры занимают широкий диапазон электромагнитного излучения. Отличаются разнообразными движениями и энергетическими переходами. Позволяют ииследовать строение молекул+характер межмолекулярного взаимодействия.

_______________________________________________________________________________________

№47. Люминесценция, ее виды. Фотолюминесценция. Закон Стокса. Хемилюминесценция.

Люминесценция – свечение некоторых веществ, не связанных с их нагреванием. Люминесценция происходит при наличии у молекул избыточной энергии.

По способу этого избытка энергии различают:

1. Фотолюминесценция (под действием светового излучения);

2. Рентгенолюминесценция (под действием рентгеновского или γ-излучения);

3. Радиолюминесценция (под действием излучения радиоактивных препаратов);

4. Катодолюминесценция (под действием пучков электронов);

5. Термолюминесценция (при слабом нагревании некоторых веществ);

6. Хемилюминесценция (за счет энегрии химических реакций);

7. Биолюминесценция (за счет энергии биохимических реакций);

8. Электролюминесценция (эл. полем);

Фотолюминесценция – резонансное состояние, подразделяется на :

• Флюоресценцию – кратковременное послесвечение;

• Фосфоресценцию – сравнительно долгое послесвечение.

Начальным актом любой люминесценции является возбуждение фотонов с энергией hν атома или молекулы. Резонансная флюоресценция – возвращение атома в основное состояние, излучается фотон света той же частоты (для уменьш. добавляют Н₂, О₂, для увел-ния – нагревают).

3

3 2 1

3 4 2 1

3

2 без излучения без излучения 2

h ν hν` 4 hν`

1 1

1, 2, 3, 4 – возбужденные состояния

Для фотолюминесценции выполняется закон Стокса:

Спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту люминесценцию. (ν_изл˂ ν_погл) – это означает, что излучение и поглощение отличаются по энергии: hν_изл ˂ hν_погл.

Хемилюминесценция – за счет энергии хим. реакций. Хемилюминесценционный анализ – определение состава ве-ва, свечение – частное проявление хемилюминесценции, ее яркость, т. е. число квантов, испускаемых в единицу времени, увел-ся с увел-ем скорости реакции. Используется как диагностический метод.

_______________________________________________________________________________________

№48. Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.

Большая часть органических соединений дает люминесцентное свечение под действием УФ лучей (после обработки реактивами). На его наблюдениях основана проверка качества и сортировка пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, тканей… Флюоресцируют также многие ткани организма (кости, волосы, зубы, хрусталик глаза : пораженные грибком волосы и чешуйки под УФ светом дают ярко-зеленое люминесцентное свечение.) По характеру свечения можно определить патологические изменения в тканях, отличить злокачественную опухоль от доброкачественной. Для диагностики ложных заболеваний используют бактерии и грибы, дающие определенное свечение. Широко применяется флюоресценция для изучения гистологических препаратов. Изменение флюоресценции зондов (молекул, добавляемых к мембранным системам извне) позволяет обнаружить конформационные перестройки в белках и мембранах. Можно определить проницаемость капилляров. Люминесцентный анализ микроскопических объектов проводят с помощью специальных люминесцирующих микроскопов, в котором помимо обычного света используются ртутные лампы и светофильтры.

1. Контроль содержания онкогенных углеродов в воздухе

2. Контроль содержания наркотиков (морфин, героин)

3. Контроль качества пищевых продуктов

4. Некоторые гематопорфирины избирательно накапливаются в злокачественных клетках. Вторичная люминесценция таких клеток (красн. цвет) применяется при визуальном распознавании характера опухоли кожи – через эндоскоп – при распознавании катаракты, опухолей трахеи, бронхов, желудка.

_______________________________________________________________________________________

№49. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотодиод. Фотоэлектронный умножитель.

Фотоэффект – это группа явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, которое может быть внешним и внутренним (возникновение тока под действием света).

– это испускание электронов веществом под действием света.

Процесс фотоэффекта описывает уравнение Эйнштейна:

h

Металл

ν=A_вых+mυ²/2 (А_вых – работа выхода, энергия, которую необходимо сообщить свободному электроны металла, чтобы он вырвался из Ме: на поверхности металла возникает двойной электронный слой, преодоление которого требует затраты дополнительной энергии)

красная граница фотоэффекта – это min ν, падающая на металл э/м излучения,

при которой возникший фотоэффект возможен hν_кр=А_вых

Законы фотоэффекта:

• Количество электронов, испускаемых катодом в единицу времени, пропорционально потоку энергии излучения, падающему на металл

• Энергия начальная (Е_нач) линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности

• Фотоэффект вызывается длиной волны, меньшей критического значения, если больше – фотоэффекта нет (красная граница фотоэффекта).

Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд. Может работать в двух режимах: с внешним напряжением и без него.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливает малые фотоны в результате вторичной эмиссии, ток превышает первоначальный фототок. ФЭУ состоит из: входной камеры, множительной диодной системы, анода, дополнительных электродов – все элементы размещаются в вакуумном баллоне.

_______________________________________________________________________________________

№50. Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения.

Лазер – прибор, преобразующий энергию электрического тока в энергию светового излучения, что происходит за счет атомов, переходящих в возбужденное состояние за счет эл. тока

Свойства:

1. Свет лазера монохроматичен, т. к. λ=const, след-но, ν=соnst. Луч можно рассматривать как поток квантов, имеющих совершенно одинаковую энергию Е=const, т. к. Е=hν, h=6,62*10^-34 Дж*с – постоянная Планка.

2. Все кванты излучения равны не только по энергии, но и по фазе электромагнитных колебаний в них.

3. Свет лазерного излучения имеет малую расходимость – это поток параллельных световых лучей.

4. Лаз. излучение плоскополяризованное: все электрические векторы Е, характеризующие электромагнитные колебания, параллельны друг к другу. Аналогично параллельны и векторы магнитной индукции В.

Мощность лаз. излучения очень высока, т. к. ∆t мало.

Активная среда лазера представлена смесью газов Ne c He, которое накачивается в устройство. He в возбужденном состоянии может находиться длительное время, не излучая энергию (метастабильное), он является буферным газом и Ne – излучательным. Для излучения вначале возбуждаются атомы Не, а затем Ne спускается на второй уровень, где скапливаются его атомы. При этом суммируется энергия, т. е. мы получаем фотон, лазер начинает работать стабильно.

_______________________________________________________________________________________

№51. Когерентное излучение. Принципы получения и восстановления голографических изображений.

Когерентное излучение – все кванты, излучаемые в любой момент времени, практически одинаковы по частоте и фазе электромагнитных колебаний.

Голография – это способ передачи и восстановления волнового колебания. Способ основан на регистрации интерференционной картины, образованной предметной и когерентной с ней волной. Зарегистрированная картина называется голограммой. Если ее снова осветить опорной волной, то создается точно такое же амплитудно-пространственное распределение волнового поля, кот создала при записи предметная волна. Смотря сквозь голограмму, мы увидим восстановленное изображение предмета. Информация на предмете записана на голограмме в виде интерференционного рельефа, информация об амплитуде предметной волны – в виде контраста интерференционного рельефа, инф о фазе – в виде частоты и формы интерференционных полос.

Свойства голограммы:

• рассеянные предметом волны попадают во все точки голограммы, поэтому каждая часть голограммы несет инф-ию о всем предмете, но меньший участок восстановит меньшую часть фронта, изображение ухудшится.

• голограмма дает объемное изображение, при изменении угла зрения можно увидеть разные детали предмета.

• если голограмма записана в толстой среде, то информационная картина будет записана в объеме фотопластины.

• при восстановлении будут усиливаться те волны, разность фаз между которыми равна длине волны.

• Для получения используют лазеры, обладающие простой и взаимной когерентностью.

В медицине голография используется для визуализации внутренних органов.

_______________________________________________________________________________________

№52. Принцип работы гелий-неонового лазера. Инверсная населенность энергетических уровней. Возникновение и развитие фотонных лавин.

Излучение Не-Ne лазера возникает за счет энергии электрического тока, пропускаемого через смесь разрядной трубки (в трубке 2 электрода). Состав: 2 плоскопараллельных зеркала, 1- полупрозрачное для излучения. Рабочая смесь – смесь газов гелия и неона (в соотношении: 10:1 и давление 10Па). Низкое давление в разрядной трубке – условие возникновения тлеющего разряда, между электродами создается электрическое поле (возле катода напряженность больше – способствует поддержанию концентраций свободных зарядов). Излучающими являются атомы неона. В Не-Nе лазере реализуется трехуровневая схема преобразований:

Е

Е₂ Возбужденный уровень

Безизлучательный переход

Е₃ ●●●●● Рабочий уровень

Излучение света

Накачка hν=E₃-E₁

Е₁ ●●●

Основной уровень

Накачка: атомы Не и Nе переводятся с основного на более высокие уровни энергии. Атомы Не пребывают в возбужденном состоянии в сто раз дольше: в течение t=10^-6сек (эсо свойство - метастабильность). Атомы Не передают свою энергию атомам Nе: ВАГ+НАН→НАГ+ВАН.

Источником лаз излучения явл-ся неоновая компонента смеси.

Атомы Nе, находящиеся на уровне Е₃, являются метастабильными→их большое количество. Достигается состояние смеси, при котором концентрация атомов Nе на уровне Е₃ больше, чем на основном Е₁ (в нелазерных средах наоборот) – это инверсная заселенность энергетических уровней. Среда с инверсной заселенностью обладает необычными оптическими свойствами: свет, проходя через нее усиливается.

Когда атом Nе уходит с Е₃ на Е₁, происходит выброс энергии одного из внешних электронов в виде кванта hν=ΔE_3-1. В объеме лазера будут возникать фотонные лавины разных направлений и те, кторые вызваны первичным квантом будут создавать поток лазерного излучения.

_______________________________________________________________________________________

№53. Применение лазеров в медицине.

Лазер применяется медицине в качестве скальпеля, рассекающего ткани без механического контакта. Глубоколежащие ткани не затрагиваются, исключается опасность инфицирования, разрезы бескровны. Диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран примерно в 2 раза. В офтальмологической хирургии – операции без вскрытия глазного яблока и анестезии – в точках фокусирования излучения получают тончайшие перфорационные отверстия.

Используется:

• Пункция лазерным лучом при ишемической болезни сердца

• Для уничтожения камней в почках и желчном пузыре за счет высокой плотности энергии импульсного лазера создается ударная волна, разрушающая камни

• Фоторадиационное воздействие на раковые клетки при онкологии. Воздействие лазера на опухоль приводит к фотохимической реакции с участием гематопорфирина и гибели раковых клеток. Здоровые клетки гематопорфирин не поглощают.

• Эндоскопическое вмешательство – нагревание биоткани за счет поглощения энергии лазерного излучения.

• При заживлении ран и язв.

_______________________________________________________________________________________

№54. Электронный парамагнитный резонанс. ЭПР в медицине.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называется электромагнитным резонансом. Медико-биологическое применение ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов и в связи с этим прослеживание изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения. Исп-ся спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих молекул. Проводятся большие исследования биологических объектов методом ЭПР.

_______________________________________________________________________________________

№55. Ядерный магнитный резонанс. Использование ЯМР в медицине.

ЯМР – это избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное магнитной переориентацией магнитных моментов ядер. ЯМР можно наблюдать при выполнении условия лишь для свободных атомных ядер. В спектральных ЯМР различают 2 типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это наз-т ЯМР высокого разрешения.

Интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца.

ЯМР – интроскопия позволяет различить кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР – интроскопия позволяет различить изображения мягких тканей. ЯМР относят к радиоспектроскопии.

_______________________________________________________________________________________

№56. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны длиной = 80 до 10^-5нм.

Наиболее длинноволновые излучения перекрываются коротковолновым УФ. По способу получения подразделяются на тормозное и характеристическое.

Механизм тормозного рентгеновского излучения.

Излучение, получаемое в рентгеновской трубке и бетатроне, возникает при торможении электронов в металлической преграде – тормозное рентгеновское излучение. С движением электр зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении магнитная индукция уменьшается и появляется электромагнитная волна. При торможении электрона часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможение ↑ кол-ва электронов, возникает рентгеновское излучение с непрерывным спектром. Спектр волны показывает, как распределена энергия по значению длин волн λ. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствует λ_min, возникает, когда энергия, приобретенная электроном, в ускоряющем поле переходит в энергию фотона

е U=hυ_max=hc/λ_min

λ_min=hc/(eU) λ_min=1,24/U

λ_min – минимальная длина волны, 10^-10м

U – напряжение, кВ

Поток рентгеновского излучения: Ф=kIU²Z

U – напряжение на аноде

I – ток в трубке

Z – порядковый номер атома вещества антикатода

K – 10^-9 В^-1 – коэффициент пропорциональности.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Возникает вследствие проникновения ускоренных электронов вглубь атома и вытеснение ими электронов из внутренних слоев. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристические спектры разных атомов однотипны, не зависят от химического соединения. Возникает при наличии свободного места во внутренних слоях атома, не зависимо от причины, которая его вызвала.

_______________________________________________________________________________________

№57. Способы получения рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, бетатрон.

Анод (антикатод)

«+»

« – »

Нить накала Стеклянная

Фокусирующий Рентгеновские вакуумная камера

электрод лучи

Нить накала имеет t^o поверхности 2000-2500 К, при которой электроны вырываются из нити (явление термоэлектронной эмиссии), эти электроны подхватываются электрическим полем: напряжение, создаваемое высоковольтным источником между катодом и анодом, может регулироваться. Фокусирующий электрод находится в контакте с нитью накаливания. Его задача – искривить силовые линии, чтобы электроны образовали узкий пучок. Антикатод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), торможение электронов сопровождается появлением рентгеновского излучения. Сила тока не велика, определяется числом электронов, вырвавшихся из рентгеновской трубки за сек времени.

Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, на которой при торможении электронов возникает поток жесткого рентгеновского излучения. При помощи усиления магнитного поля электроны удерживаются на круговой орбите. Основной объем и масса ускорителя приходятся на обмотки электромагнитов и их ферромагнитные сердечники. Разгон электронов в вакуумно й тороидальной камере.

Тороидальная камера находится в магнитном поле. Если на ось камеры выведен пучок электронов и магнитное поле начинает усиливаться, то происходит явление электромагнитной индукции, и возникает вихрь электромагнитного поля. На электроны действует сила: F=eE, направленная по касательной к оси камеры и разгоняющая их. Также на электрон действует сила Лоренса: F=eVB, направленная в центр камеры. Сила F удерживает электроны на оси камеры. Электроны во время всего цикла разгона остаются на неизменной орбите.

_______________________________________________________________________________________

№58. Применение рентгеновского излучения в диагностике. Рентгеноскопия. Рентгенография. Флюорография. Компьютерная томография.

Рентгеноскопия: рентгеновская трубка, пациент, светящийся экран, линза (фокус на фотопленку). Преимущества:

1. Изучение в движении

2. Экономичность

Недостатки:

1. Большая лучевая нагрузка

2. Слабое разрешение

Рентгенография: рентгеновская трубка, пациент. Преимущества:

1. Малая лучевая нагрузка

2. Хорошо видны мелкие детали

3. Остается документ

Недостатки:

1. Нельзя изучать в движении

2. Большая стоимость (на 1м² – 4 г Ag)

3. Снимок получается не сразу

Флюорография – рентгенологическое исследование, заключающееся в фотографировании флуоресцентного экрана, на котором спроецировано рентгенологическое изображение. Дает уменьшенное изображение объекта. Выделяют мелко- и крупнокадровую. В наст время пленочная флюорография заменяется цифровой.

Компьютерная томография – метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Метод основан на измерении и на сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения разными по плотности тканями. Рентгеновская компьютерная томография – томографический метод исследования внутренних органов и тканей человека с использованием рентгеновского излучения.

_______________________________________________________________________________________

№59. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотопоглощение, когерентное рассеяние, комптоновское рассеяние, образование пар. Вероятности этих процессов.

Рентгеновский квант теряет свою энергию частями, отдавая ее множеству атомов, производя их ионизацию. В металле выбитым электронам находится замена при ионизации, в молекулярных структурах это факт серьезных повреждений. Жесткое излучение проникает на большую глубину, наоборот – мягкое. Чем больше энергия квантов, тем длиннее пробег в ве-ве до полной потери энергии, тем глубже излучение проникает в ве-во, тем труднее защита от него.

Ослабление рентгеновского излучения описывается законом Бугера (если преграда – слоистая структура):

I=I₀e^-μx

I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х

I₀ – интенсивность излучения при х=0, на входе в препарат

Μ – коэф. Линейного ослабления излучения (зависит от свойств ве-ва и излучения).

d_1/2=ln₂/μ; μ=ln₂/d_1/2

d_1/2 – слой половинного ослабления

I ₀

1 /2I₀

0 d_1/2 x

Массовый коэф ослабления: μ^`= μ/ρ (ρ – плотность ве-ва-поглотителя)

Когерентное рассеивание – мягкое рентгеновское излучение, у кот энергия квантов меньше энергии ионизирующих атомов поглощения среды: hν=A_и. Он приводит атом в возбужденное состояние, но через некоторое время возвращается в обычное состояние, излучив вторичный рентгеновский квант. При этом hν^`=hν это квант нового направления.

Фотопоглощение – главный процесс поглощения квантов с относительно низкой энергией hν, но достаточной для ионизации. Основной процесс поглощения энергии рентгеновского излучения при энергии квантов (Е_квант) = 200кэВ. При фотопоглощении квант с энергией hν превосходит энергию связи электронов в атоме Е_к, выбивает его, и сообщает новую кинетич энергию: hν=Е_к+Е_кин. Свободное место занимается новым электроном.

Эффект Комптона – рассеяние квантов электромагнитного излучения на свободные электроны. Частица может иметь скорость (с=3*10⁸м/с). Формула Эйнштейна: Е=mc², сл-но, m=hν/c^2, тогда импульс кванта: p=mc=hν/c.

Образование пар. hν=>е₀^-1+е₀⁺¹ (1)

Позитрон – античастица электрона – имеет m=m_e, но «+» заряд (0,511 МэВ)

hν>0,511+0,511=1,022МэВ

превращение (1) произойдет, если hν>1,022МэВ оказывается в поле атомного ядра. Она реализуется, как Е_кин электрона и позитрона, поделенного между ним поровну. Энергия растет и увел-ся образование пар. Быстрый электрон тормозится, становится источником рентгеновского излучения, позитрон – рассеивает Е_кин. Образ-ся 2 кванта с энергией 0,511 МэВ, имеющие противоположное направление.

Виды взаимодействия с веществом:

1.α-частица, главным образом ионизирует атомы ве-ва

2.β-частица – возбуждает атомы ве-ва

3.Протоны и нейтроны могут как ионизировать, так и выдавать ядерные реакции.

Нейтронное излучение – самое вредное для организма электромагнитное излучение.

Взаимодействие по 4-м схемам:

Когерентное взаимодействие – зависит от состояния энергии ионизации изм-ся только угол

Eион>hν

●

hν hν`

hν=hν`

Фотоэффект : hν≥Eиониз

hν=Eиониз+mυ2/2

ӗ

●

hν

Комптон- эффект hν>Eиониз

hν=Eиониз+hν`+mυ2/2

● ӗ

hν hν`

Квантовый эффект Еиониз>hν

hν→e-+e+

Eγ=hν=2mec2

Z●

_______________________________________________________________________________________

№60. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы активности радиоактивных препаратов.

Радиоактивный распад – явление самопроизвольного распада атомных ядер, сопровожд потоками излучения, имеющих большую энергию и высокую ионизирующую способность.

α-распад. α-частицы это ядра Не₂⁴

β-распад. Распад искусственно созданных радиоактивных изотопов

β⁺-поток позитронов

γ-распад сопровождается α- и β-распадом.

1. ρ ядер вещества большая

2. в атомном ядре – все протоны взаимно отталкиваются, но они стабильны, т. к. их взаимодействие более активно.

3. Процессы подчиняются законам квантовой механики. Особенности радиоактивного распада:

• Энергия α,β,γ-частиц при распаде постоянна

• Распад нестабильных атомных ядер сопровождается «осколками» определенного вида: α,β^-,β⁺-частиц

• Вероятность распада 1-го ядра в единицу времени постоянна.

Закон радиоактивного распада:

N=N₀e^-λx

N – число нераспавшихся ядер

N₀ – число нераспавшихся ядер в нач момент времени

λ – постоянная распада (const)

Nt

N₀ T_1/2 – период полураспада

1/2N₀ λ=ln2/T_1/2 T_1/2=ln2/λ T_1/2: от 10^-8сек до 10¹⁰ лет

0 T_1/2 t

Активность радиоактивных препаратов.

1. Беккерель – 1 Бк = 1распад/сек=1,1/с

2. Кюри – 1Кu=3,7*10¹⁰Бк=3,7*10¹⁰ 1/с

Активность препарата как функция времени

N`=dN/dt=>dN/dt= – λN₀e^-λt

Удельная активность – величина, измеряемая в единицах активности на см³ (мКu/см³).

_______________________________________________________________________________________

61 – ???

_______________________________________________________________________________________

№62. Количественные оценки взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Удельная ионизация и удельные ионизационные потери, полный пробег.

Взаимодействие частиц с веществом количественно оценивается линейной плотностью ионизации (ЛПИ), линейно тормозной способностью вещества (ЛТС) и средним линейным пробегом частиц (СЛПЧ).

ЛПИ( i) – отношение числа dn ионов одного знака, образованных заряжённой ионизирующей частицей на элемент. пути dl, к этому пути ( i = dn/dl).

ЛТС (S) – отношение энергии dE заряженной ионизирующей частицей при прохождении элемент. пути dl в веществе, к длине этого пути : S=dE/dl

СЛПЧ (R) – среднее значение расстояния между началом и концом пробега заряженной ионизированной частицы в этом веществе.

Удельная ионизация – характеризует ионизирующую способность излучения и определяет среднее значение количества пар ионов, образованных на 1 см пробега частиц данной среды.

Удельная ионизационная потеря – средняя энергия потерянная частицей на единицу длины пути.

_______________________________________________________________________________________

№63. Закон ослабления ионизирующих излучений. Коэффициент линейного ослабления. Толщина слоя половинного ослабления. Массовый коэффициент ослабления.

Ослабление рентгеновского излучения в веществе описывается законом Бугера:

I = I₀e^-mx (3)

I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х; I₀ – интенсивность излучения при х = 0, т.е. на входе в преграду; m - коэффициент линейного ослабления излучения. Он сложным образом зависит как от свойств вещества, так и от свойств излучения. , где d_1/2 – слой половинного ослабления, т.е. ослабления в два раза. Любая толщина преграды ослабляет излучение в какое-то количество раз, но не до гарантированного нуля.

Массовый коэффициент ослабления , где p - плотность вещества-поглотителя. Величина m^/ имеет размерность м²/кг.

_______________________________________________________________________________________

№64. Основы биологического действия ионизирующих излучений: ионизация молекул, образование свободных радикалов. Лучевая болезнь.

Время течения процессов	Облучение	Этапы поражения
10-12-10-3 с	Поглощение энергии излучения. Ионизация с возбуждением молекул	Первичное взаимодействие и радиохимические реакции
Секунды - часы	Нарушение структур обеспечивающих функцию и наследственность клеток. Изменение ф-ии и морфологии клеток и их гибель.	Поражение клеток
Минуты - месяцы	Нарушение функционирования органов и систем и их морфологическое изменение.	Поражение организма
Годы	Отдаленные соматические эффекты (Сокращение жизни, опухоль)	Поражение популяции
Неопределенное время	Генетические последствия облучения (наследственные заболевания).	Поражение популяции

Образов свободных радикалов

1)

H ₂0 + источник излуч. H₂0* H₂0⁺ + e

H ₂0 + e H₂0^-

H ₂0^- OH^- + H^.

O H^- OH^. + e

2)

R H RH* R^. + H^.

R H RH⁺ + e

_______________________________________________________________________________________

№65. Получение и применение радиоактивных препаратов для диагностики и лечения.

М едицинская радиология – область медицины разрабатывающая теорию и практику применения радиоактивных веществ в медицинских целях.

Диагностическая Терапевтическая

Лучевая диагностика – рентгенологические методы, радионуклеидные методы, ультразвуковой метод, магнитно-резонансная томография, позитронная, медицинская томография.

Рентгеновское излучение:

1. Разное поглощение различными тканями организма µ=кρz³λ³

2. Ионизация тканей организма. Используется в лучевой терапии.

3. Световозбужд. эффект.

4. Фотохимический эффект.

Разложение бромистого серебра, находящегося в водной эмульсии.

Рентгенография – исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу (трубка, пациент, пленка в кассете ).

Преимуществ:

- малая лучевая нагрузка на пациента

- разрешающая способность = 40 линий на см

Недостатки:

- нельзя изучать двигательные функции

- большая стоимость

- получение снимка на диагностику через какое-то время.

Рентгеноскопия:

Схема: рентгеновская трубка, пациент, экран.

Преимущество:

- можно изучать на органах движения

- быстрота и экономность

Недостатки:

- Большая лучевая нагрузка (экспозиция на минуты)

- плохо видны мелкие детали = 10 линий на см

- адаптация зрения

ФЛГ

Схема:

Рентгеновская трубка, пациент, светящийся экран

Преимущества

- короткое время, группа риска

- дешево

Недостатки

- специальный прибор

- мелкие детали видны плохо

- лучевая нагрузка на 5% больше, чем при рентгенографии

Цифровая рентгенография

Схема: рентгеновская трубка, пациент, блок, нет пленки

Электрические сигналы с датчиков подаются на компьютер.

Преимущества:

- Установка основных параметров съемки управляется компьютерным оператором

- Результаты исследований появляются на мониторе через 1 секунду, сохраняются в базе данных

- Значительно сокращается нагрузка

Компьютерная томография

- метод неразрушающего послойного (послойное изображение)

исследования внутренней структуры объекта.

В диагностике: радиоактивные изотопы, скорость крови, количество воды в организме.

№ 66. Методы регистрации ионизирующего излучений: счетчик Гейгера, сцинтилляционный датчик, ионизационная камера.

Схема:

Счетчик Гейгера регистрирует поштучно каждую a- или b-частицу, проникающие в него. Для регистрации a-частиц и мягкого b-излучения рабочей поверхностью счетчика, обращенной навстречу потоку частиц, делают торец прибора, закрытый тонкой пленкой и тогда частицы ионизируют газ, заполняющий прибор. Такая конструктивная разновидность прибора называется торцевой счетчик.

Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку излучения боком, т.е. цилиндрической поверхностью. Главную роль при обнаружении b-частиц играет при этом материал катода, выполненного в виде металлического напыления на стекло изнутри или в виде цилиндрической трубки из металла.

Особенность счетчика Гейгера состоит в том, что если ионизирующее излучение оставляет в нем хотя бы один вторичный электрон, вызвавшая его появление частица будет зарегистрирована. В пространстве между катодом и анодом создано сильное электрическое поле, особо неоднородное вблизи нити анода. Даже единичный свободный электрон в таком поле становится инициатором целой лавины из электронов и ионов, возникающих на его пути. Такие возникающие и исчезающие лавины воспринимаются блоком счета как импульсы, которые этот блок и подсчитывает.

Что касается квантов рентгеновского или g-излучения, то далеко не каждый из них оставит свой след в таком приборе. Доля квантов, оставивших след в счетчике Гейгера, очень сильно зависит от энергии квантов.

Эффективностью детектора называется процентная доля частиц, им регистрируемых. Счетчик Гейгера имеет для рентгеновского и g-излучения низкую эффективность.

Сцинтилляционный датчик.

Высокая эффективность регистрации электромагнитных ионизирующих излучений. В них рабочим телом является крупный прозрачный цилиндр, сделанный из специально монокристаллов ( NaI).

С хема сцинтилляционного датчика:

Квант, претерпевая в объеме кристалла многоступенчатое рассеяние, выбивает электроны на всех изломах своей причудливой траектории. Выбитые электроны, тормозясь, возбуждают атомы кристалла, и на пути кванта остается цепочка световых вспышек. Примесные атомы таллия делают эти вспышки более яркими.

В контакте с кристаллом находится электронный прибор, который называется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Фотокатод этого устройства представляет собой тонкий слой металла щелочной группы, напыленный изнутри стеклянного корпуса.

Ч ем больше Е кванта, тем больше суммарная яркость вспышек V кристала

Б ольше число фотоэлектронов больше амплитуда электр. импульса на выходе ФЭУ.

Сцинтилляционный счетчик может не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию.

Когда данные о составе и энергетическом спектре излучений известны, и необходимо регистрировать только интенсивность потока излучения, применяются простые и надежные приборы – ионизационные камеры.

Детектор, реагирующий на излучение – стеклянный корпус, в котором помещены 2 электрода. Пространство между электродами заполнено газовой смесью. Напряжение между электродами невелико, так что между обкладками этого конденсатора происходит несамостоятельный разряд: ток протекает только при наличии ионизатора; сила тока пропорциональна «производительности» ионизатора, т.е. интенсивности исследуемого потока излучения.

_______________________________________________________________________________________

№67. Дозиметрия. Понятие о поглощенной, экспозиционной и эквивалентной дозе и их мощности. Единицы их измерения. Внесистемная единица – рентген.

Дозиметрия - система единиц, применяемый для количественной оценки воздействия ионизирующих излучений на организм.

Сложились две параллельные системы единиц: энергетическая и ионизационная. Поглощённая доза – отношение поглощенной энергии к массе облученного вещества: D=E/m.

Энергетической характеристикой поглощенной дозы в системе СИ является грей:

1 Гр = 1 Дж/кг

Мощность поглощения дозы - в грей в секунду:

1 Гр/с = 1 Дж/кгс = 1 Вт/кг

Отношение поглощенной дозы ко времени ее получения: P=D/t

Экспозиционная доза – суммарный заряд ионов одного знака, возникший в единице массы облученного вещества :Dэксп=q/m; 1кл/кг.

Внесистемная единица экспозиционной дозы рентген (1Р). В аттестуемый поток радиации выставляется «на экспозицию» сухой воздух при н.у. Принимается, что облучаемый воздух получает экспозиционную дозу 1 рентген, если в 1 см³ образуется 2,08*10⁹ пар ионов имеющих суммарный заряд одного знака q= 3.33*10^-10 Кл/см3

Одному внесистемному рентгену соответствует 2,58*10^-4 Кл/кг «системных» единиц (Кл/кг для 1 кг воздуха).

Мощность экспозиционной дозы – экспозиционная доза полученная в единицу времени:

Pэксп= Dэксп/t (рентген/ч, рентген/с) 1P/ч, 1Р/с

Эквивалентная доза (Dэкв) – поглощенная доза излучения, пересчитаная с учетом биологического действия данного вида излучения Dэкв= Dпогл*f

Единица измерения 1 Зиверт (Зв) – количество излучения дающего тот же биологический эффект, что и доза в 1 Гр.

Мощность экв-й дозы- эквив. доза полученная в единицу времени.

Рэкв=Dэкв/t ;Зв/с ; для рентгеновского , гамма – излучения и естественного фона 1мкР/ч=10^-2МкЗв/ч

_______________________________________________________________________________________

№68. Суммарная поглощенная доза ионизирующих излучений. Предельно допустимая доза. Летальная доза. Защита от ионизирующих излучений.

Суммарная поглощенная доза (D)- произведение мощностей дозы на длительность облучения. D=Pt

Единицы измерения: Зв, Р, Кл/кг, Гр (с указанием за какое время доза получена.

Защита от ионизирующего излучения:

- от β и γ- излучения – передник со свинцом

- от нейтрального излучения- материалы с большим содержанием атомов водорода (Н2О парафин)

Средние значения коэффициента ослабления дозы радиации:

Транспортные средства -1

Железнодорожные платформы – 1,5

Автомобили, автобусы и крытые вагоны – 2

Танки – 10

Производственные и административные здания – 6

Подвал – 2,7

3вида защиты :

1. Временем

2. Расстоянием

3. Материалом

Чем больше время и меньше расстояние, тем больше экспозиционная доза.

Необходимо минимальное время находиться под воздействием иониз. излучения и на максимально возможном расстоянии от источника этого излучения.

Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизир- го излучения.

Для защиты от β- излучений достаточно пластин из алюминия , плексигласа или стекла толщиной в несколько см.

Сложнее с защитой от нейтронов. Сначала нейтроны замедляют водородосодержащие в-ва, а затем уже другими веществами поглощают медленные нейтроны. В качестве поглотителя можно использовать кадмий.

_______________________________________________________________________________________

№69. Физические основы и диагностические возможности позитронно-эмиссионной томографии.

ПЭП- радионуклеидный томографический метод исследования внутренних органов.

В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон излучающими радиоизотопами. Потенциал ПЭП в значительной степени определяется арсеналом достигнутых меченых соединений – радиофармпрепаратов. Выбор подходящего препарата позволяет изучать с помощью ПЭП такие процессы, как метаболизм, транспорт веществ.

Главное преимущество позитронно-эмиссионной томографии - возможность не только получать изображения внутренних органов, но и оценивать их функцию и метаболизм, таким образом, удается выявлять болезнь на самом раннем этапе , еще до появления симптомов.

Особую роль ПЭП играет в онкологии, кардиологии и неврологии, где ранняя диагностика заболеваний является особенно важной.

С Технической точки зрения ПЭП измеряет локальную концентрацию следовых количеств радиоактивного изотопа введенного в объект, помещенный в поле зрения ПЭП-камеры. Вследствие неустойчивости ядра, в котором количество протонов превышает количество нейтронов , короткоживущий изотоп при переходе в устойчивое состояние излучает позитрон, свободный пробег которого заканчивается столкновением с электроном .

_______________________________________________________________________________________

№70. Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине.

Ускоритель - устройство, при котором под действием магнитных заряженных полей формируется пучок заряженных частиц высокой энергии.

Различают линейные и циклические ускорители. В линейных ускорителях частицы движутся по прямолинейной траектории, в циклических по окружности или спирали.

В линейном – 80 тыс ускорений. Циклотрон – ускоритель по окружности (l = 2πR)

У скорение электронов, электрическое поле заставляет е разгоняться. Циклотрон способен ускорять протоны до 20-25 М. Ограничение энергии ускоряемых частиц обусловлена зависимостью массы от скорости. Так как масса увеличивается с возрастанием скорости, то период вращения частиц будет также возрастать. Вследствие этого электрическое поле будет не ускорять, а замедлять частицы так как синхронность между движением частицы и изменением электрического поля нарушается.

Ускорители заряженных частиц применяют как средства лучевой терапии в двух основных направлениях.

Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пучки и очень точно воздействовать на опухоль.

Наряду с лечебным применением ускорителей они используются в диагностике.

2 области:

1. Ионная медицинская радиография – получение сведений о средней плотности вещества.

- более низкая, чем в рентгенографии, контрастность, что позволяет лучше различать структуру мягких тканей.

2) Синхронное излучение.

- интенсивное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями близкими к скоростям света.

Применяют аналогично рентгеновскому излучению, также в лучевой терапии.

_______________________________________________________________________________________

№71. Электроника. Классификация медицинской электроники.

Электроника - область науки и техники, в которой рассматривается работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.

1. Вакуумная электроника, основана на применении электровакуумных приборов (рентгеновские трубки, электронные лампы, газоразрядные приборы и т. д.).

2)Твердотельная электроника – изучает полупроводниковые приборы, интегральные схемы.

3)Квантовая электроника, связана с лазерами.

Медицинская электроника - это разделы электроники, в которых рассматриваются устройство и работа соответствующей медицинской аппаратуры.

В медицинских электронных приборах неэлектрические характеристики типа температуры, давления, перемещения органов и т. д. преобразуют в электрический сигнал. Это связано с тем, что информацию, представленную электрическим сигналом, удобно регистрировать и передавать на расстояние.

МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА