1. Електронний парамагнітний резонанс.

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

Е₂

Е₁ ↑ν_рез=Δ Е/h ΔЕ= Е₂ – Е₁

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

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

А) постійне магнітне поле;

Б) електромагнітна хвиля з частотою ν_рез.

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

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

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

2. Визначають канцерогенну активність речовин;

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

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

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

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

ν_рез=ΔЕ/h

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

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

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

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

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

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

Співвідношення невизначеності Гейзенберга

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

Δx = Δp_x ≥ħ

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

Хвильові властивості мікрочастинок

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

P= λ - довжина хвилі де Бройля.

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

Поняття про електронний мікроскоп

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

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

Самостійна робота №14.

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

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

Питання.

1.Фізичні основи магнітно – резонансної томографії.

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

Теоретичні відомості.

Ядерний магнітний резонанс (1946р. Блох і Парселл)

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

ν_рез=ΔЕ/h.

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

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

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

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

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

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

Самостійна робота №15.

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

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

Питання.

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

2.Якими способами можна отримати зображення в електронному мікроскопі?

3.Якого збільшення можна досягти в електронних мікроскопах?

Теоретичні відомості.

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

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

Історія створення електронного мікроскопа

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

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

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

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