27 Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, её экспериментальное обоснование.

Французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Таким образом, если частица имеет энергию Е и импульс, абсолютное значение которого равно р, то с ней связана волна, частота которой ν=E/h и длина волны λ=h/p, где h — постоянная Планка. Эти волны и получили название волн де Бройля.

Первое подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году в опытах американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера. Пучок электронов ускорялся в электрическом поле с разностью потенциалов 100—150 В (энергия таких электронов 100—150 эВ, что соответствует 0,1 нм) и падал на кристалл никеля, играющий роль пространственной дифракционной решётки. Было установлено, что электроны дифрагируют на кристалле, причём именно так, как должно быть для волн, длина которых определяется соотношением де Бройля.

28Электронный микроскоп. Принцип действия, разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях.

Электронный микроскоп – прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны.

Действие электронного микроскопа основано на явлении дифракции электронов. В электронном микроскопе роль световых лучей выполняет поток электронов, а линзами являются электрические или электромагнитные поля, собирающие или рассеивающие поток электронов. Действие электронного микроскопа, в отличие от обычного микроскопа, основано на изменении углов рассеивания электронов при прохождении их через объект наблюдения, в зависимости от расположения, плотности, толщины и формы структурных единиц, образующих этот объект. Чем больше толщина или плотность структурной составляющей частицы, тем больше рассеивается электронный пучок и тем темнее получаемое изображение. Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дают возможность различать детали изучаемого объекта размерами до 0,2 – 0,5 нм.

Разрешающая способность электронного микроскопа ограничивается, с одной стороны, волновыми свойствами ( дифракцией) электронов, с другой - аберрациями электронных линз. С помощью электронных микроскопов можно добиться значительно больших увеличений (до 106 раз).

В настоящее время электронная микроскопия нашла наиболее широкое применение в цитологии, микробиологии и вирусологии. При помощи электронной микроскопии изучается внешняя форма объекта, молекулярная организация его поверхности, с помощью метода ультратонких срезов исследуется внутреннее строение объекта.

Электронная микроскопия в сочетании с биохимическими, цитохимическими методами исследования, иммунофлюоресценцией, а также рентгеноструктурным анализом позволяют судить о составе и функции структурных элементов клеток и вирусов.

29Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров. Квантово-механическая модель атома Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).Атомные спектры - Спектры оптические, получающиеся при испускании или поглощении света свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях.Молекулярные спектры - спектры испускания, поглощения и комбинационного рассеяния света (КРС), принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. Типичные М. с.— полосатые, они наблюдаются в виде совокупности более или менее узких полос в УФ, видимой и ИК областях спектра; при достаточной разрешающей способности спектральных приборов мол. полосы распадаются на совокупность тесно расположенных линий. Структура М. с. различна для разл. молекул и усложняется с увеличением числа атомов в молекуле. Видимые и УФ спектры весьма сложных молекул сходны между собой и состоят из немногих широких сплошных полос. М. с. возникают при квантовых переходах между уровнями энергии ?' и ?" молекул согласно соотношению:

hv=?'-?", где hv — энергия испускаемого или поглощаемого фотона частоты v.

30Люминесценция. Ее виды. Закон Стокса.Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.Все известные виды люминесценции были разделены на два больших класса: флуоресценцию и фосфоресценцию. Под флуоресценцией понимали свечения, мгновенно затухающие после прекращения их возбуждения; фосфоресценцией считали свечения, продолжающиеся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения. Однако такая классификация носит сугубо качественный характер и не позволяет установить четкой границы между этими двумя видами свечения.Люминесценция, по сути, процесс выделения полученной веществом предварительно при переходе в неравновесное состояние избыточной энергии. При возбуждении люминесценции атом (молекула), поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии на возбужденный уровень. При переходе в обычное состоянии атом светится.Согласно закону Стокса, длина волны излучения люминесценции всегда больше длины волны света, возбуждающего люминесценцию. При освещении люминофора в его спектре присутствуют длины волн и большие, и меньшие тех, которые использовались для его возбуждения. Первая из этих закономерностей является правилом Стокса. А область длин волн, меньших, чем длина волны возбуждающего излучения, называется антистоксовой.Энергия падающего кванта частично превращается внутри облучаемого тела в другие виды энергии, поэтому энергия кванта люминесценции должна быть меньше.31Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.Люминесценция позволяет по характеру люминесценции обнаруживать различие между предметами, кажущимися одинаковыми. Он применяется для диагностики заболеваний (например, ткань, пораженную микроспорумом, обнаруживают по яркой зелёной люминесценции её под действием ультрафиолетового света).В биологии живые ткани окрашивают спец. красителями, в результате взаимодействия которых с биологическим веществом также образуются люминесцирующие комплексы. Например, ядра клеток соединительной ткани, окрашенные акридином оранжевым, дают яркую люминесценцию, причём, если клетка раковая, цвет излучения меняется.32Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.Фотоэлектрический эффект – явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто Г. Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда.Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

А. Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых e0=hn. Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

34Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения Лазерное излучение обладает следующими физическими свойствами: 1. Высокая пространственная и временнáя когерентность (кванты излучения одинаковы по фазе колебаний и энергии)2. Строгая монохроматичность излучения (длина волны постоянна, значит и частота электромагнитных колебаний тоже, следовательно, лазерный луч – поток квантов) 3. Очень малая угловая расходимость пучка (кванты имеют одинаковое направление) 4. Плоская поляризация лазерного излучения (векторы магнитной индукции и напряженности квантов параллельно друг другу) 34Принцип работы лазера. Инверсная населенность энергетических уровней. Возникновение фотонных лавин.Принцип работы лазера: Излучение возникает за счет энергии электрического тока, пропускаемого через газовую смесь разрядной трубки. Общее низкое давление в разрядной трубке – необходимое условие возникновения тлеющего разряда. Источник тока создает эл. Поле между двумя электродами в трубке., в нем образуются два встречных потока электронов и ионов. За счет энергии эл. Разряда происходит переход атомов с основного уровня энергии на более высокий. На более высоком уровне концентрация атомов становится выше, чем на основном (инверсионная заселенность энергоуровней). Далее атомы возвращаются на основной уровень самопроизвольно, испуская кванты с энергией, или вынуждено, за счет столкновения с квантом-провокатором, что вызывает появление точно такого же кванта и переход атома на более низкий уровень. Каждый квант сталкивается с новыми атомами, что вызывает лавинообразные процессы, ведущие к появлению новых квантов, что и приводит к лазерному излучению. 35Применение лазеров в медицинеСкальпель в хирургии, диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран, офтальмологические операции, закрепление отслоившейся сетчатки, уничтожение камней в почках, пункция лазерным лучом при ишемической болезни сердца, фоторадиационное воздействие на раковые клетки, удаление родинок, родимых пятен и др. кожных образований.36Ядерный магнитный резонанс. Использование ЯМР в медицине (МРТ). Ядерный магнитный резонанс - резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Магниторезонансная томография (МРТ) — способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей использованием явления ядерного магнитного резонанса. Способ основан на измерении электромагнитного отклика атомных ядер, чаще всего ядер атомов водорода, а именно на возбуждении их определённым сочетанием электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.