Устройство рентгеновской трубки.Получние тормозного рентгеновского излучения.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревный катод испускает электроны. Анод, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающие рентгеновские излучения под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер в таблице Менделеева, например, из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских излучений, чего можно достигнуть, фиксируя электроны в одном месте анода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом.

В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение

Вопрос №88 Закон Мозли. Зависимость излучения от материала анода

Зако́нМо́зли — закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излученияатома химического элемента с его порядковым номером.

Здесь R– постоянная Ридберга (R=1,1×10⁷ 1/м), n– номер энергетического уровня, на который перешел электрон, k– номер энергетического уровня, с которого перешел электрон.

 

Закон Мозли позволяет определить заряд ядра, зная длину волны линий, характеристического рентгеновского излучения. Именно исследования характеристического рентгеновского излучения позволили расставить окончательно элементы в таблице Менделеева.

Закон Мозли показывает, что корни квадратные из рентгеновских термов зависят линейно от зарядового числа Z элементов.

Вопрос №89 Получение сплошного спектра рентгеновского излучения . Изменение спектра от напряжения на катоде и аноде рентгеновской трубы.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревный катод испускает электроны. Анод, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающие рентгеновские излучения под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер в таблице Менделеева, например, из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом. Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских излучений, чего можно достигнуть, фиксируя электроны в одном месте анода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом.

Вопрос №90

Получение линейчатого спектра рентгеновского излучения. Изменение жесткости напряжения.

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способность, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое-мягким. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой компоненты. Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле: Ф=kI Z

U,I-напряжение между электродами и сила тока в рентгеновской трубке

Z-порядковый номер атома вещества антикатода

k- -коэффициент пропорциональности

Вопрос №91 Механизмы получения тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение. Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна. При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным(сплошным) спектром. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствующее длине волны , возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергия фотона:

Откуда

Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практических целей выражение:

-минимальная длина волны, м

U-напряжение, кВ

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбрасывают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристическое излучение состоит из серий K,L,M и тд., наименование которых послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении К-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:

v-частота спектральной линии

Z-атомный номер испускающего элемента

A,B-постоянные

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для озона, кислорода и воды, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада, который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

Вопрос №92Основной закон радиоактивного распада. Связь постоянной распада с периодом полураспада.

Число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

N0 и N-число исходных и оставшихся ядер

t-время

лямбда-постоянная распада-величина пропорциональная вероятности распада ядер

Вопрос №93

Основные виды ионизирующих излучений и их свойства

Ионизи́рующее излуче́ние — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество.

Альфа-распад — это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Энергия частиц составляет 4-9 МэВ

Бета-распад представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны.

*электронный или β-распад

*позитронный или β+-распад

*электронный захват

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эги лучи (свинец, бетон, вода. Электромагнитные волны с длиной волны≤ нм

Вопрос №94Дозиметрия. Поглащенная, экспозиционная доза и эквивалентная дозы.

Дозиметрия - раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения. Процессы взаимодействия излучения с тканями протекают поразному для различных типов излучений и зависят от вида ткани. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом. Поглощенная энергия - первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина - доза излучения (доза - порция).

Поглощенная доза

Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр)

1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2Гр).

Эквивалентная доза

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излучения характеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр - коэффициент качества. Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Коэффициент качества (К) показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе. Коэффициент качества - безразмерная величина.

Эквивалентная доза (Н) равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения:

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв). Наряду с зивертом используется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10^-2 Зв.

Экспозиционная доза

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действие радиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой. Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

Экспозиционная доза (Х) равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10^-4Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08х10⁹ пар ионов.

Связь между поглощенной и экспозиционной дозами выражается соотношением

где f - некоторый переводной коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и длины волны излучения. Кроме того, величина f зависит от используемых единиц доз.

Вопрос №95

Функции и модели мембран. Структура мембран. Физические свойства мембран

Кле́точная мембра́на — эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой. Липидная молекула состоит из полярной головки ( заряжены либо отрицательно, либо нейтрально) и гидрофобного хвостика, несущего эл.заряд. Остаток глицерина связывает головку и хвостик.

Мембранный бислой выполняет 2 функции: барьерную (является преградой для ионов и водорастворимых молекул) и матричную (является структурной основой для размещения основных рецепторных и ферментных систем клетки).

Модели.

В 1935г. Даниели и Давсон – первая модель клет.мембраны (липиды расположены в 2 бислоя, с обеих сторон покрыты белками).

В 1972г. Синджер и Николсон – жидко-мозаичная модель ( липидная основа как двумерный растворитель, в кот-ом плавают более менее погруженные белки.

Первая модель – монослой липидов на границе раздела вода-воздух или вода-масло. Гидрофильные головки располагаются в воде, а гидрофобные хвосты в воздухе или в масле. При изменении состояния липидных молекул, меняется площадь, занимаемая молекулами.

Вторая модель - 1962г. Мюллер бислойная липидная мембрана (БЛМ). Заполняют отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворённым в гептане. После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько нанометров и диаметром 1мм. Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый в ней потенциал.

Третья модель – липосома. Это мельчайшие пузырьки(везикулы), состоят из билипидной мембраны и полученные обработкой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Практически полностью лишены белковых молекул. Липосомы не токсичны, полностью усваиваются в организме и являются надежной липидной микрокапсулой для направленной доставки лекарства.

Свойства

1. В зависимости от температуры и состава мембраны могут существовать в различных физических фазах. При понижении температуры мембраны обнаруживают свойства твердых тел, при повышении температуры они переходят в жидкокристаллическое состояние, которое характеризуется большей подвижностью молекул в плоскости мембраны.

2. Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, которые создают заряженные головки липидов, придающие мембране отрицательный заряд.

3. У мембран высокая прочность на разрыв, устойчивость и гибкость.

4. По электроизоляционным свойствам они превосходят многие изоляционные материалы.

Вопрос №96

Перенос молекул (атомов) через мембраны. Уравнение Фика. – отражает процесс переноса в жидкостях.

J – плотность потока диффундирующего вещ.ва; моль/л

D – коэффициент диффузии, м2/c

С – концентрация диффундирующего вещ-ва, моль/м3

– градиент молярной концентрации, моль/м4

Явление переноса – это термин, означающий необратимые процессы. в рез-те которых в физической системе происходит пространственное перемещение масс, импульса, энергии, заряда или какой-либо другой физической величины.

К таким явлениям относят диффузию( перенос массы вещества), вязкость(перенос импульса), теплопроводность(перенос энергии), электропроводность(перенос электрического заряда).

Вопрос№97. Перенос ионов через мембраны. Уравнение Нернста-Планка.

Ψ- безразмерный потенциал

l – толщина мембраны

J = - D

dφ/dx = / l, где - разность потенциалов на мембране

Вопрос №98 Разновидности пассивного переноса молекул и ионов через мембраны. Активный транспорт. Опыт Уссинга.

Пассивный транспорт — перенос веществ из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Существует три типа проникновения веществ в клетку через мембраны: простая диффузия, облегчённая диффузия, активный транспорт.

Явление переноса атомов и ионов через мембрану – это пассивный транспорт. Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии. Виды:

1. Простая диффузия - частицы вещества перемещаются сквозь билипидный слой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O₂, N₂, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO₂, H₂O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

2. Облегчённая диффузия – перенос ионов специальными молекулами – переносчиками. При этом переносчик либо подвижный,либо нет. При такой диффузии перенос идёт намного быстрее, далее здесь характерно «насыщение», когда с увеличением концентрации данного вещ-ва с одной стороны мембраны плотность его потока становится больше только до определенного предела, зависящего от кол-ва молекул переносчика. Наконец, при такой диффузии возможна конкуренция близких по структуре веществ за связывание с молекулой переносчика.

3. Активный транспорт – это перенос молекул в область большей концентрации, а ионов – против силы, действующей на них со стороны электрического поля. Активный транспорт присущ исключительно биологическим мембранам. Осуществляется за счёт энергии гидролиза молекул (АТФ).

Опыт Уссинга

Существование активного транспорта через биологические мембраны впервые было показано датским ученым Уссингом в опытах с переносом ионов натрия через кожу лягушки, которая имеет более сложную структуру, чем одиночная мембрана. Кожу лягушки можно представить как два последовательно расположенных барьера (1 и 2 на рис. 11.14). Наружный барьер 1 (мембрана) отличается тем, что он избирательно проницаем для ионов натрия, но не калия. В то же время внутренняя мембрана 2 более проницаема для калия, чем для натрия. Экспериментальная камера Уссинга, изображенная на рис. 11.14, разделена на две части кожей лягушки. На рисунке кожа лягушки располагается между наружным и внутренним раствором: снаружи и изнутри камеры заполнены раствором Рингера, содержащим ионы натрия, калия, кальция и хлора.

В результате пассивного транспорта ионы натрия диффундируют из наружного раствора в кожу. При этом цитоплазма заряжа­ется положительно относительно этого раствора. Ионы калия, проходя из цитоплазмы во внутренний раствор, заряжают ее от­рицательно. Таким образом, на коже лягушки между внутренним и внешним барьерами возникает разность потенциалов. В установке имеется блок компенсации напряжения, позволяющий установить разность потенциалов на коже, равную нулю. Это можно контролировать вольтметром. Концентрацию ионов с наружной и внутренней сторон поддерживают одинаковой. Если бы при этих условиях перенос ионов определялся только пассивным транспортом, потоки частиц в обе стороны были бы одинаковыми, а суммарный поток через мембрану был бы равен нулю. Однако с помощью амперметра был зарегистрирован ток в цепи, проходящий через кожу лягушки. Это свидетельствует о том, что через кожу лягушки происходит односторонний перенос заряженных частиц. Методом меченых атомов было показано, что имеет место движение ионов натрия от наружного раствора к внутреннему. Таким образом, результаты опыта Уссинга показа­ли, что перенос ионов натрия через кожу лягушки не подчиняется законам пассивного транспорта. В этом случае имеет место активный перенос ионов.

Вопрос №99. Равновесный и стандартный потенциалы. Потенциал покоя.

Биопотенциалом называют разность электрических потенциалов, образующуюся между двумя точками клеток, тканей и орга­нов в процессе их жизнедеятельности. Биопотенциалы отражают функциональное состояние клеток и тканей. Поэтому их регистрация и анализ являются важным приемом при физиологических исследованиях и в диагностике.

Потенциал покоя - разность потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой в нормально функционирующей клетке.

(11.35)

Здесь с₁ис₂— молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны,R— универсальная газовая постоянная,Т— термодинамическая температура, при которой происходит диффузия,F— постоянная Фарадея,Z— заряд иона. Эту разность потенциалов называют равновесным мембранным потенциалом. Мембранная теория происхождения биопотенциалов была выдвинута в 1902 г. Б. Бернштейном..

Вопрос№100. Потенциал действия и его распространение.

Все живые клетки при действии различных раздражителей (химических, механических, температурных и пр.) способны переходить в возбужденное состояние. Опыт показывает, что возбужденный участок становится электроотрицательным по отношению к покоящемуся, что является показателем перераспределения ионных потоков в возбужденном участке. Реверсия потенциала при возбуждении кратковременна, и после окончания возбуждения через некоторое время вновь восстанавливается исходный потенциал покоя. Общее изменение разности потенциалов на мембране, происходящее при возбуждении клеток, называется потенциалом действия.

Распространение потенциала действия вдоль нервного волокна (аксона) обусловлено возникновением так называемых локальных токов, образующихся между возбужденным и невозбужденным уча­стками клетки. В состоянии покоя внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал, а внутренняя — отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную. В результате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов. Наличие разности потенциалов и приводит к появлению между этими участками локальных токов. На поверхности клетки локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному; внутри клетки он течет в обратном направлении. Локальный ток, как и любой электрический ток, раздражает соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости мембраны. Это приводит к возникновению потенциалов действия в соседних участках. В то же время в ранее возбужденном участке происходят восстановитель­ные процессы реполяризации. Вновь возбужденный участок в свою очередь становится электроотрицательным и возникающий ло­кальный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс многократно повторяется и обусловливает распространение им­пульсов возбуждения по всей длине клетки в обоих направлениях. В нервной системе импульсы проходят лишь в опре­деленном направлении из-за наличия синапсов, обладающих односторонней проводимостью.

У высокоорганизованных животных с развитой нервной системой толстые волокна оказываются неэкономичными, и затухание сигнала предотвращается другим способом. Мембраны аксонов у них покрыты миелином — веществом, содержащим много холестерина и мало белка. Удельное сопротивление миелина значительно выше удельного сопротивления других биологических мембран. Помимо этого, толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины l.