Otvety_kollokvium_fizika_4 (1)

1 основные понятия в метрологии

Измерение-нахождение значения физической величины опытным путем с помощью технич средств.

Прямые измер, при кот рез-т получается из измерения самой величины.

Косвен измер, при кот искомое зн величины находят по известной зависимости между ней и измеряемыми величинами.

Измер-ый прибор-средство, в кот инф-я представляется в форме, доступной для восприятия наблюдателем.

Мера-предназ-на, для воспроизведения физич. вел-ны заданного размера.

Измер-ый преобразователь(датчик)- средство для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки или хранения.

Точность измер-й-степень приближения результатов изм-ия к истинному значению.

Абсолют погрешн-отклонение рез-ов измер-й от ист знач измеряемой вел-ны.

Ед-ца измер-станд-ое знач опред-ой физ вел-ны. Группируются в систему СИ.

Метрологическое обеспечение (установление и применение научн правил, норм, технич средств, необходимых для достижения точности измерений). Измерения производятся с использованием тех средств. Рез-ты измер должны соотв-ть опр-ой точности и быть одинаковыми, если измер-ся идентичные вел-ны. Для этого необх-о метрологическое обесп-ие. Для опред-ия погрешн этих ср-тв исп-т проверку. Эталоны-средства изм-ий обеспечивающ воспроизведение или хранение узаконенной единицы физ вел-ы; Аттест-ые или образц-ые средства измер-ий; Рабочие средства измер. применяются для практич измерений в различн областях.

Специфика медицинской метрологии

Специфич проблемы для мед метрологии:

1. измер-ия производ тех не подготовленным персоналом, поэтому необх-о, использовать мед приборы, значения кот явл-ся конечной инфой

2. нужно затрачивать на измер-я меньше времени, и получать больше инфы, этим треб-ям удовл-ют только измерит комплексы с вычислительными машинами.

3. важно учитывать мед показ-ия при нормировании прибора, важно учит возм-ые откл-ия у кажд больного.

4. важно учит погрешности харак-ные для регистрационного устр-ва.

5. названия для мед приборов не отвечает терминологическим треб-ям метрологии.

6. лаб измер-ия могут отл-ся от зн-й соответствующего параметра в усл орг-ма.

7. в проц-се измер параметры могут изменяться с теч. времени.

Физические измерения в биологии и медицине

механич измер- антропометрич параметры тела, перемещение, скорость, частей тела, крови и др.

теплофизические измер- тем-ра органов, тела, окр. среды.

Электрич и магнитные измер- индукция маг-го поля сердца, измер импеданса тканей и др.

оптические измерения- колориметрические измер, спектральные измер для судеб медицины назн-ия, измер различного света для гигиен-их целей.

атомные и ядерные измер- измер ионизирующих излучений и др.

физико-химические измер- кол-ое определение состава вдыхаемого и выдых-го воздуха, газовый состав крови, рН крови и др.

2 погрешности физических измерений и их оценка

есть 3 осн-х типа погр-ей:

систематические-при многократным измер одной и той же вел-ы остается постоянной или измен-ся по опред. закону. Разделяется на: методические и инструментальные погр-ти.

Метод-ие-из-за недостатков применяемого метода измер, несовершенства теории рассматриваемого явл и неточн-ти расчетной формулы.

Инструментальные из-за несовершенства конструкции, неточности изготов-ия измер-ых приборов.

случайные- вызывается дейст-ем не поддающихся контролю многочисл-ых независимых друг от друга факторов. Полностью от них изб-ся невозможно, но можно уменьшить многократным повт измер.

грубые- оказывается значит. больше ожидаемой при данных условиях. Связаны с неисправностью приборов, ошибкой эксперимен-ра. Они долж быть исключены из протокола измер.

Погрешность прямых измерений - вычисляется по формуле

где  t=Sxta,(N-1): ; sx — станд-ая ошиб сре-го, а ta.(N-1)  — квантиль распр-ния Стьюдента  для числа степеней свободы (N-1)  и уровня значимости ; A — абсол-ая погр-ть сред-ва.

Погрешность косв-ых воспроизв-ых измер — погр-ть вычисл-ой вел-ны:

Если F=F(x1,x2…xn), где xi — непоср-но измер-ые незав-ые вел-ны, имеющие погреш-сть , тогда:

Погреш-ть косв-ых невоспр-ых измер – вычисл-ся аналогично вышеизложенной формуле, но вместо xi ставится зн-ие полученное в проц-се расчётов.

Абсолютная погр-ть

=разность между средним значением измеряемой вел-ы и знач. Xi, полученным при данном изм.

Относит погр-ть=отнош. абсолютн погр. измерения к среднему знач. измеряемой вел-ы: Е=/*100%

3 Теория вероятности-изучение законом-ти массовых случайных событий.

Основные понятия теории вероятности-испытание,исход испыт-ия,события. Испыт-ие провод-ся при соблюд опред-го комплекса условий,кот или созд-ся искусственно,или существуют незав-мо от воли эксперем-ра.То,что получ-ся в рез-те испыт-элемент-ый исход.

Случ-ое событие-элем-ный исход или совок-сть элем-ых исходов. Понятия: Статистич опред. вер-сти-вер-сть Р(А) –числовая хар-ка степени возможности появл-ия какого-либо опред-го случ-го соб-ия А при многократном повт испыт. Относит. частота события: Р*(А)=m/n Вер-сть случ-го соб-ия-предел,к кот стрем-ся час-та соб-я при неограниченном увел-ии числа испыт Р(А)=lim m/n(n→∞) Класич. опред. вер-ти.Вер-ть Р(А) событий А=отношение элементарных исходов, благоприятствующих этому событию к общему числу равновозм-ых несовместных событий Р(А)=m/n. Соб-ия,кот при данных усл-ях не могут произойти-невозм-ые (их вероя-ть= 0). Соб-ия,кот при данном испыт-и обяз-но произойдут-

достоверные (вер-ть=1) Несовместные-в рез-те испыт не могут наступать одновр-но. Независимые-факт появл-ия одного из них не влияет на вер-сть наступления др. соб-я.

Теорема слож-ия вер-ей:вер-сть появ-ия одного соб-я из нес-ких несовмес-ых событий=сумме их вер-тей Р(А или В)=Р(А)+Р(В). Следствия из теоремы слож-ия вер-стей: 1)Сумма вер-сти противопол-ных событий=единице: Р(А)+Р(А⁻)=1.Вер-сть противопол-ых событий=1-Р(А) 2)Система событий А1,А2,..Аn наз полной сис-ой,если совокуп-ть элемент-ых исходов составляет все множ-во событий. Сумма вер-сти событий,составляет полную систему=1 Теорема умн-ия вер-стей. Вер-сть совместного проявл-ия неско-ких независ-ых событий =произв-ию вер-сти. Р(А или В или С )=Р(А)*Р(В)*Р(С). Теор.умнож-ия относ-но зависимых собы-й.События А и В наз зависим-и,если факт наступ-я 1 из них влияет на вер-сть наступ-ия др.Р(B/A)-условная вер-сть, т.е. вер-сть события В при условии, что событие А состоялось.

Р(А и B)=Р(A)*Р(B/A)-вер-сть совм-го прояв-ия событий . Если вер-сть Р наступ-ния соб-ия Α в каждом испыт-ии постоянна, то вер-сть P⁻{k,n} того, что соб-ие A наст-т k раз в n незав-ых испыт-ях, =P_k,n=c_n^k*p^k*q^n-k=C^k_n*p^k*(1-p)^n-k- фор-ла Бернулли. Если n большое число, пользуются фор-лой Пуассона - P_n(m)=(λ^m/m!)e^-λ ,где λ=np.

4 Случайной наз такую вел-ну,кот принимает знач-я в зависимоти от стечения случ-ых обстоя-тв. Различают дискретные и непрерывные случ-е вел-ны. Случайная величина явл диск-ой, если она приним-т счетное множ-во знач-й (число букв на произвольной странице книги). Непрер-ая случ-ая вел-на прин-ет люб знач-ия внутри некот-го интервала (температура тела).

Распределение дискр-ой случ-ой вел-ны. Диск-ая случ-ая вел-на счит-ся заданной, если указаны ее возможные знач-я и соответ-щие им вероятности.Пусть диск-ая случ-ая вел-на Х,ее знач-ия х1,х2,хn, вер-сти Р(х1)=р1, Р(х2)=р2и т.д. Совоку-сть Х и Р –распред-ие дис-ной случ-ой вел-ны.Сумма вер-стей=1 ∑n,i=1Р(хi)=1-усл нормировки. Числовые характ-ки дискретн случ вел-ны (числовые параметры). 1) Математич ожидание (среднее значение) случ вел-ны есть сумма произведений всех возможных ее значений на вероят-ти этих значений.

2)Дисперсией случ вел-ны наз математ ожидание квадрата отклонения случ вел-ны от ее математич ожид.

D(X)=M[X-M(X)]² или D(X)=M(X²)-[M(X)]²

Для того чтобы оценивать рассеяние случ вел-ны в единицах той же размерности, вводят понятие среднего квадратического отклонения:

Распределение и характ-ки непрерывной случ вел-ны. 1) Пусть dP - вероят-ть того, что непрерывн случ вел-на X принимает знач между x и x+dx. dP=f(x)dx, где f(x) - плотность вероят-тей, или функция распределения вер-тей. Она показывает, как изменяется вер-ть, отнесенная к интервалу dx случ вел-ны, в зависимости от знач самой этой вел-ны:

f(x)=dP/dx

2) Функция распред непрерывн случ вел-ны:

Нормальный закон распределения. В теории вер-тей и математич статистике, в различн приложениях важную роль играет норм. закон распред. (закон Гаусса). Случ вел-на распределена по этому закону, есл плотность вер-ти ее имеет вид:

где а=М(Х) - мат ожидание случ вел-ны; б- среднее квадратическ отклонение; б² - дисперсия случ вел-ны.

Кривая норм закона распред имеет колбообразную форму, симметричную прямой х=а (центр рассеивания). В точке х=а функция достигает максимума: f(x)max=предыдущ формула, без е и дробной степени, только 1/б*кв корень 2 пи.

5 Математич статистика-наука о мат-ких методах систематезации и использования статист-ких данных для решения научных и практич задач. Главным в мат. стат-ке явл-ся анализ стат-их данных и выяснение, какому распределению они соответствуют. Если необходимо изучить множество объектов по какому-либо признаку. Это возможно сделать, либо проведя сплошное наблюдение, либо выборочное. Выбор-ое, т.е. неполное лучше потому что обследование части менее трудоёмко, чем целое. Большая статист-ая совок-сть, из кот отбир-тся часть объектов для исслед-ия наз Генеральной совокуп-тью ,а множество обектов отобранных из нее –выборочной совоку-тью или выборкой. Если записать в последоват-ти измерений все значения вел-ны х в выборке, то получ простой статистич ряд, x1 <x2 <xi <xk

n 1 n 2 ...n i ...n k p1*=n1/n р2*=n2/n…

где Xi-наблюдаемые знач приз-ка (варианта) ni-число наблюдений варианты Xi ,pi-относит-ая частота .

Статист-ое распред-ние это совокуп-ть вариант и соответствующих им частот. Интервальное (непрерывное) статис-ое распр-ие:х0,х1 х1,х2 ...Xi-1,Хi ...Xk-1,Xk n 1 n 2 n i n k p1*=n1/n h2*=n2/n… Xi-1,Хi-интервал в кот заключено кол-ое значение признака.

В медицинск лит-ре статистич рспред, состоящее из вариант и соответствующих им частот, получило название вариационного ряда.

Полигон частот-ломаная линия , отрезки которой соединяют точки с координатами (х1;n1)(x2;n2).. или для полигона относит. частот – с координатами (х1;р1*)(х2;р2*) Гистограмма частот – совокуп-ть смежных прямоугольников , построенных на одной прямой линии, основания прямоуг = А, а высоты = отнош частоты к А: ni/A=рi/A.

Мода(Мо)= варианте , кот соотв-ет наибольш частота. Медиана(Ме) –= варианте , кот расположена в середине статист-го распред-ия . Она делит статист ряд на 2 равные части .Выборочная средняя-опред как среднее арифметич-ое статист-ого ряда:

Выборочная дисперсия-сред арифметич квадратов отклонения вариант от их средн. значения.

Квадратный корень из выборочной дисперсии наз выборочным средним квадратическим отклонением :

6 Оценка параметров генеральной совокуп-ти по ее выборке.

ген совок-ть явл нормальным распред-ием . Нормальное распред-ие полн-ю определено мат ожид-ем и средним квадратическ отклонением. По выборке можно приближенно найти, эти параметры, то будет решена одна из задач матем стат-и — определение парам-ов болльшого массива по исследованию его части.

Как и для выборки, для ген совок-ти можно опр-ть ген среднюю — ср-е арифмет-ое зн всех величин, сост,авляющих эту совок-ть. Учит-ая бол-ой объем этой совок-ти, можно полагать, что генеральная ср-яя = мат ожид-ию: где X — общая запись случ-ой вел-ны ген совок-ти.

Рассеяние значений изучаемого приз-ка ген совок-сти от их ген средней оценивают генеральной дисперсией

(N - генеральное среднее квадратическое отклонение При точечной оценке ген совок-ти производятся разные выборки. Для определенности будем считать объемы этих выборок одинаковыми и = n. Их выборочные средние_i явл случ-ми вел-ми, кот распределены по нормал-му закону, а их матем ожидание = матем ожид-ию ген совокуп-ти, т. е. ген средней: Х_г=М(х_Bi)

Мат ожид-ие дисперсий различн выборокк [М(D_Bi)], составленных из ген совокуп-ти, отлич-тся от ген дисп-ии:

Для ген ср-го квадрат-го отклон-ия соответ-но получем:

и

Оценка параметров ген совок-ти или каких-либо измерений определенными числами наз точечной оценкой.

Интерв-ая оценка ген средней. Точечная оценка, особенно при малой выборке, может значит-но отлич-ся от ист-ых парам-ов ген совок-ти. При небол-ом объеме выб-ки пользуются интервальными оценками. В этом случае указывается интервал (доверительный интервал, или доверит границы), в кот с определенной вероятностью р находится ген средняя. Ген сов-ть распределена по норм-у закону с матем ожид-м и дисперсией Если из этой ген совок-ти брать разные выборки с одининаковым объемом n, то можно для каждой выборки получить сред-е знач х_в Эти ср-е зн-я сами явл случайными вел-ми. Распр-ие средних знач разных выборок, получ-ых из одной ген совокуп-ти, будет нормальным со средним знач,=равным среднему знач ген сов-ти дисперсией и средним квадратическим отклонением σ_г / _{кв.корень из}n

Интервальная оценка генеральной средней при малой выборке. На практике часто имеют дело с выборками небольш объема (n<30). В этом случае в выражении доверит интервала точность оценки определяется по след.формуле:

٤=б_в/_{кв.корень из}n-1, где

t-параметр, называемы коэф. Стьюдента, кот зависит не только от доверительной вер-ти р, но и от объема выборки n.

7 Кинематика и динамика вращат движ. Материальная точка - твердое тело, размерами которого можно пренебречь в данной задаче. Кинематич харак-ки: скорость, ускорение, вектор, перемещение, путь. Траекторией движ. мат. точки назыв. линия, кот. описывает мат. точка при своем движении. Вектор перемещения - вектор проведенный из одной точки в другую, совершаемое за △t. Скоростью мат точки назыв. предел отнош. вектора перемещ. к промежутку времени, за кот. произошло это перемещ, при стремлении промежутка времени к нулю. Пусть S - расстояние, кот проходит мат точка за опред. время при своем движении. Ускорение - предел отнош △V на △t при △t→0. a=lim(△t→0)△V/△t над a и △V стрелочки. Ускорение направлено под углом к скорости в сторону вогнутости траектории.

Существ-ет прямолинейное и криволинейное движ мат точки. Для описания вращат движ тверд тела, рассмотрим движ мат точки по окружности.Такое движ можно рассматривать как вращат движ мат точки вокруг оси проходящ через центр окружности, перпендикулярной её плоскости. При описании данного движ удобно пользоваться угловыми харак-ками: углов скорость, углов ускорение, угол поворота. Угловая скорость (W со → наверху) - векторная вел-на направленная вдоль оси вращ. Её направление согласуется со скоростью по правилу буравчика. Вектор углов скорости - псевдовектор, точка начала - это любая точка оси вращ. Углов ускорение (٤со → наверху) = △W/△t

٤(со → наверху) - псевдовектор, не имеет постоянной начальн точки вдоль оси. При это возможно 2 направления: вверх и вниз вертикально. Центростремит ускорение сообщается с силой, направленой к центру по радиусу. Fц.с.(со → наверху) =m*a ц.с. Наряду с этим на тело действует центробежная сила инерции, кот направлена вдоль радиуса. Fц.с.=Fц.б. (обе со → наверху).

Вращат движ тверд тела - движ тела, при кот все точки тела расположены на одной прямой, проходящ через тело остаются неподвижными, эта прямая назыв осью вращ-я. Все остальн точки тела вращ-тся по окружности, центры которых лежат на оси вращ. Тверд тело - тело, сост-щее из совок-ти мат точек, расстояние между кот неизменно. Рассмотрим движ мат точки по окружности. Введем понятия момента силы и момента импульса.

Мом-ом силы относит непод-ой оси назыв векторная вел-на, направл-ная вдоль оси вращ, и согласуется с действующ силой по пр. правого буравчика. Момент силы относ оси = произведение силы (F)на плечо (l). Плечо (l) - длина перпендикуляра опущенного от оси на направление действия силы (F). урав-ие динам-и вращ-го дв-ия тв-го тела относ-но неподвижной оси.

М внешн. L - плечо

-импульс тела

Момент инерции тела относ оси (I)=сумме произ-ий масс отдельн мат. точек тела на квадрат их расстояния до рассматр-ой оси: Если известен момент инерции тела относ-но оси, прох-ей ч-ез его центр масс, то момент инерции относ-но любой др парал-ой оси опр-ся тео-ой Штейнера:мо-нт инерции тела J относ-но произ-ой оси = мом-ту его инерции Jc относ-но парал-ой оси, прох-ей через центр масс С тела, сложенному с произвед-м массы т тела на кв-ат рас-ия r между осями: Вместо а→r

Момент имп-са и закон то сохр

Моментом импульса матер точки А относ-но непод-ой точки Оназ физ вел-на, опре-ая вект-ым произ-ем:  Мом-ом имп-са относ-но непод-ой оси z наз скал-ая вел-на Lz,= проек-и на эту ось вектора мом-та имп-са, опред-го относ-но произвольн точки О данной оси. Момент имп-са Lz не зависит от полож-я точки О на оси z.  Монет имп-са тв тела относ-но оси есть сумма моментов имп-са отд-ых частиц:

 т. е. Это выр-ие — еще одна форма урав-ия дин-ки вращ-го дв-ия тв тела относ-но неподвижной оси: произ-ная момента имп-са тв тела относ-но оси = моменту сил относ-но той же оси. Закон сох-я момента имп-са — фундамен-ый закон при-ды. Векторная сумма всех моментов импульса относительно выбранной оси для замкнутой системы тел и остается постоянной, пока на систему не воздействуют внешние силы(М внешн=0). В соответствии с этим момент импульса замкнутой системы в любой системе координат не изменяется со временем.

Кинетич энергия (Ек) вращат движ складывается из суммы кинетич энергий отдельн точек тела.

8 Мех колеб-ия – это дв-ия, кот точно или прибл-но повт-ся через одинак-ые промеж-ки времени

Вынужд-ые — колеб-ия, протекающие в сист под влиянием внеш-го период-го возд-ия. При вынуж-ых колеб-ях может возник-ть явл резонансаhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81

Своб-ые— это кол-ия, происходящ за счет первоначально сообщенной колетбат. системе энергии, при дальнейшем отсутствии внешн механич воздействий.

Гармон-ие колеб-ия — кол-ия, при кот физ вел-на изм-ся с теч-ем вр-ни по синусоидальному или косинусоидальному закону. Кинематическое уравнение гармонических колебаний имеет вид:

, где (wt+ф) - фаза колебаний; w-циклич (круговая) частота; ф - начало фазы колебаний. Это ур-е явл-ся решением дифференциального ур-я гармонич колебаний:

вместо х→S. S - смещение

Граф зав-ть смещ-я скор-ти,уско-ия от времени

Механич энергия колебат движ. Колебания совершаются за счет энергии колеб (Е полн):

При этом полная энергия равна потенциальной энергии:

Когда система проходит положение равновесия, смещение и потенциальная энергия равны нулю: х = 0, Е_п= 0. Поэтому полная энергия равна кинетической:

Изобр-ие гарм-их колеб-ий с помощью векторных диаграмм:

9 Сложение гармонических колебаний одного направления и одинаковой частоты Колеблющееся тело может принимать участие в нескольких колебательных процессах, тогда следует найти результирующее колебание   применяя метод вращающегося вектора амплитуды, построим графически векторные диаграммы этих колебаний. Так как векторы A₁ и A₂ вращ-ся с одинак углов скоростью ω₀, то разность фаз между ними будет оставаться постоянной x=x1+x2=Acos(ω₀t+ф1)+Аcos(ω₀t+ф2) (1) В формуле (1) амплитуда А и начальная фаза φ соответственно определяются выражениями  A²₁+A²₂+2A₁A₂cos(φ₂ - φ₁) (2) Значит, тело, участвуя в двух гармонич колеб-ях одного направления и одинак частоты, совершает при этом также гармонич колеб в том же направ и с той же частотой, что и складываемые колеб-я. Амплитуда результирующего колеб зависит от разности фаз (φ₂ - φ₁) складываемых колебаний.  После сложения этих колебаний получ-ся колеб-я с периодически изменяющейся амплитудой. Периодич изменения амплитуды колеб-я, кот возникают при сложении 2 гармонич колеб с близкими частотами, называются биениями. Период биений:   

любые сложные периодич колеб S=f(t) можно представить в виде суперпозиции (наложения) одновременно совершающихся гармонич колеб с различ-ми амплитудами, начальными фазами, а также частотами, которые кратны циклической частоте ω₀ :  S=f(t)=A₀/2+A₁cos(φ₀t+φ₁)+A₁cos(2φ₀t+φ₂)+...+A_ncos(nφ₀t+φ_n) (5) Представление в виде (5) любой периодич функции связывают с понятием гармонич анализа сложного периодич колебания, или разложения Фурье. Слагаемые ряда Фурье, кот определяют гармонич колеб с частотами ω₀, 2ω₀, 3ω₀, ..., назыв первой (или основной), второй, третьей и т.д. гармониками сложного периодич-ого колеб.

Сложение взаимно перпендик-ых колеб.

Начало отсчета выберем так, чтобы начальная фаза 1-ого колеб была равна нулю, и запишем это в виде  (1)  где α — разность фаз обоих колеб, А и В = амплитудам складываемых колеб. Ур-е траектории результирующего колеб определим исключением из формул (1) времени t. Записывая складываемые колеб как:  

y/B=cos(ωt+a)=cosωtcosa-sinωtsina

найдем после несложных преобразований ур-е эллипса:

 (2)  Поскольку траектория результирующего колеб имеет форму эллипса, то такие колебания называются эллиптически поляризованными.  Размеры осей эллипса и его ориентация зависят от амплитуд складываемых колеб и разности фаз Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колеб имеют различные знач, то замкнутая траектория результирующего колеб довольно сложна. Замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, кот совершает одновременно два взаимно перпендикулярных колебания, называются фигурами Лиссажу.

10 Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс вида

  в природе невозможен. Свободные колебания любого осциллятора рано или поздно затухают и прекращаются. Поэтому на практике обычно имеют дело с затухающими колебаниями. Они характеризуются тем, что амплитуда колебаний A является убывающей функцией.

Если A(t) и А(t + Т) — амплитуды двух последовательных колебаний, соответствующих моментам времени, которые отличаются на период, то отношение    называется декрементом затухания, а его логарифм  — логарифмическим декрементом затухания; N_e — число колебаний, которые совершаются за время уменьшения амплитуды в е раз. Логарифмический декремент затухания является постоянной величиной для данной колебательной системы. 

Добро́тность — свойство колебательной системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний.

Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. Общая формула для добротности любой колебательной системы:

,

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних периодических сил.

Установившиеся вынужденные колебания происходят с частотой, равной частоте вынуждающей силы.

        Рассмотрим вынужденные колебания на примере реального (с трением) пружинного маятника. Будем отталкиваться от уравнения движения (второй закон Ньютона), которое мы написали для затухающих колебаний. При наличии дополнительной вынуждающей силы F(t) необходимо дописать ее в правую часть уравнения. В каноническом виде дифференциальное уравнение вынужденных механических колебаний имеет вид:

Для пружинного маятника:

     и     

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также - график этой функции. (Математически амплитуда - это модуль некоторой комплекснозначной функции от частоты.) Также может рассматриваться АЧХ других комплекснозначных функций частоты, например, спектральной плотности мощности сигнала.

Резона́нс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также - график этой функции

Автоколеба́ния — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.^[1]

Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы.

Параметрические  колебания — это колебания, в  процессе  которых происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы.

11. Механические волны – процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной).

Упругие волны — волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил. В поперечных волнах различают горбы и впадины. Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами.

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах. В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения. Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

Волново́й фронт — это поверхность, до которой дошли колебания к данному моменту времени. Волновой фронт является частным случаемволновой поверхности.

Плоская волна — волна постоянной частоты, волновые фронты которой являются бесконечными плоскостями, нормальными к вектору фазовой скорости.

Сферическая волна — волна, радиально расходящаяся от источника. Её волновой фронт представляет собой сферу. Простейшим примером почти сферической волны является световая волна, испускаемая лампочкой.

СИНУСОИДАЛЬНАЯ ВОЛНА

Форма волны, характеризующаяся регулярными колебаниями с таким набором периода и амплитуды, что смещение амплитуды на каждый пункт пропорционально синусу угла смещения.

Уравнение плоской волны

s=Acos[ω(t-x/υ)]

Волновая поверхность — геометрическое место точек, испытывающих возмущение обобщенной координаты в одинаковой фазе. Если источником волны является точка, то волновые поверхности в однородном и изотропном пространстве представляют собой концентрические сферы.

Скорость распространения фиксированной фазы колебаний называют фазовой.

υ=dx/dt. Скорость распространения фикс. фазы колебаний и есть скорость распростр. волны.

Длиной волны называют расстояние между двумя точками, фазы которых в один и тот же момент времени отличаются на 2π. Она равна расст., пройденному волной за период колебания λ=Tυ

Волново́е число́  — это отношение 2π радиан к длине волны: 

Диспе́рсия волн — в теории волн различие фазовых скоростей линейных волн в зависимости от их частоты. Дисперсия волн приводит к тому, что волновое возмущение произвольной негармонической формы претерпевает изменения (диспергирует) по мере его распространения.

Волновое уравнение:

Поток энергии волн:

Ф=w_pSv, где w_p - объемная плотность энергии колебательного движения(среднее значение энергии колебательного движения частиц, участвующих в волновом процессе и расположенных в 1 м³).

вектор Умова - это вектор, который показывает, куда и сколько энергии переносит электромагнитная волна

Интенсивность волны - средняя по времени энергия, к-рую эл.-магн. или звуковая волна переносит в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны. И. в. пропорциональна квадрату её амплитуды.

12 Волновой пакет — определённая совокупность волн, обладающих разными частотами, которые описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве.

Групповая скорость — это величина, характеризующая скорость распространения «группы волн» - то есть более или менее хорошо локализованной квазимонохроматической волны (волны с достаточно узким спектром). Обычно интерпретируется как скорость перемещения максимума амплитудной огибающей квазимонохроматического волнового пакета (или цуга волн). В случае рассмотрения распространения волн в пространстве размерностью больше единицы подразумевается как правило волновой пакет близкий по форме к плоской волне.

,

где  — угловая частота,  — волновое число.

Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.[1] Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Стоя́чая волна́ — колебания в распределённых колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения.

Эффект Доплера называют изменение частоты волн,воспринемаемых наблюдателем,вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

13 Звуковые волны.

Звук – колебательное дв-ие частиц упр-ой среды, распр-щееся в виде волн.

Шум - совокуп-ть апериодическ звуков различной интенсивность и частоты. Можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов.

Тон- звук являющийся периодич-ким процеcсом.

Звук. удар - кратковр-ое зву-ое возд-вие.

Характер-и звука:

Звуков-е давление – дав-ие, оказываемое звуковой вол-й на препятствие.

Интенс-ть звук-ой волны – энергия, переносимая зву-ой волной через единицу поверх-ти за един-у времени.

Шкала уровней интенсив-ти и звукового давления. Знач-е I₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую др интен-сть I выражают ч-з lg ее отн-шия к I₀ L_Б=lg(I/I₀) для зву-го давл-ия L_Б=2lg(p/p₀).

Субъективные хар-ки звука:

Высота тона-обусл-на част-ой основного тона.

Тембр звука-опред-ся спектральным составом.

Громкость-характеризует уровень звук-го ощущения.

Закон Вебера-Фенхера:если раздражение увелич-ся в геометрич-ой прогресии (т.е. в одинак число раз), то ощущ этого раздражения возрастает в арифм-кой прогресии(т.е. на одинак величину).

Кривая равной громкости:

Аудиометрия-метод измерения остроты слуха.

Частоты слышимых колебаний лежат в пределах 20 - 20000 гц,

1) Колебания на частотах меньше 20 гц – инфразвук.

2) Колебания на частотах больше 20000 гц - ультразвук

14 Зву-ые методы исслед-ия в клинике

Аускультация- выслуш-ие зву-ых явл связ-ых с фун-ей органов. Прим-ют стетоскоп и фонендоскоп.

Фонокардиография- графич-ая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностич. интерпретация

Перкуссия-исслед-ие отдельных частей тела при простук-ии их и анализа возник-их при этом звуков.

Прохож-ие зв-ой волны через гран-у раздела двух сред

Часть волны отраж-ся,а часть-прелом-ся. Прелом-ая волна может поглот-ся во 2 среде,а может выйти из нее.

Вол-ое сопрот-ие-важн-ая характ-ка среды, определяющая усл-ия отражения и прелом-ия волн на ее границе.

Ультразвук –мех колеб-ие и волны с частотами >20 кГц

УЗ-излучатели наиболее распростр-ные –электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механич деформац тел под действием электрич. поля.

Особ-ти распростр-ия ультразвуковых волн в средах.

Дифракция (огибание) волн зависит от соотношения длины волны и размеров тел.

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотнош их волновых сопротивлений. Волновое сопротивление биологич сред в 3000 раз больше, чем воздуха. Скорость распростр-ия УЗ-ых волн и их поглощение зависят от состояния среды.

Дей-ие УЗ на биологич объекты

1) микровибр на клет-ом и субклет-ом уровне

2) разруш-ие биомакромолекул

3) перестройка и повреждение биологич мембран, изменение их прониц-ти.

4) тепловое действие.

5) разруш-ие клеток и микроорга-ов

Применение УЗ в мед и фармацевтике

Разд-т на методы диагн-и и иссле-я, и воздей-ия.

К 1 относят: локационные методы исслед-ия- эхоэнцефалография –определение опухолей и отека головного мозга; ультразв-ая кардиография-измерение разм-ов сердца в динамике; ультразв-ая локация для опред-ия размеро глазных сред.

Ко 2 относят: ультразв-ая физиотерапия и ультразв-ой остеосинтез (“сваривание” костей с помощью УЗ”)

Инфразвук и его дейст-е на биологич объекты

Инфразвук-механич волны с частотами, меньше тех, кот воспринимает ухо чел-ка (<20Гц). Оказ-ет неблагопр-ое влияние на функц-ое сост ряда систем орг-ма: вызывает усталость, гол боль, сонливость, разражение и др.

15 Механич свой-ва тверд тел.

Деформация - изменение взаимного расположения точек тела, кот приводит к изменению его формы и размеров.. Если после прекращ-ия действия силы, форма и объем тела полн-ю восстан-ся, то деформац наз упругой, Дефрмации, кот не исчезают после прекраш действ сил, наз пластическими, а виды деф-й: растяжение(сжатие), сдвиг, кручение и изгиб.

Деф-ия растяж-ия характ-тся абсол-ым удли-ем дельта l и относ-ым удли-ем е: 

Деф-я сдвига происходит под действ силы, касательной к одной из граней прямоуг параллелепипеда.

Деф-я кручения характ-тся взаимным поворотом сечений стержня под влиянием моментов сил действующих в плоскости этих сечений.

Механич напряж-ем наз отн-ие модуля силы упругости F к площади поперечного сеч тела S: б=F/S.

В СИ за ед-цу мех напр-ия принимают 1Па = 1Н/м². 

Закон Гука при малых деф-ях напр-ие прямо пропорц-но относ-му удлинению (б = Е • е), где Е - модуль Юнга. График завис-ти мех напряжения от относ-го удл-ия.

Предел упругости б_упр – напряж-ие, при кот тело полн-тью утрачвает упругость(точка В)

Набл-ся явл "текучести" материала, т.е. напряжение, начиная с кот деформац возрастает без увеличения напряжения (ВС). При дальнейшем увел-ии удл-ия тело вновь обретает спос-ть сопротивл-ся деф-ии; напр-ие в нем вновь увел-ся, достигая макс в точке D, кот соотв-ет начало разруш-ия.

Предел прочности б_проч – наибольшее напряж, возник-ее в теле перед началом разрушения (DE).

Отн-ие предела проч-ти мат- к факт-и дейст-му напр-ию наз коэффиц-ом запаса проч-ти (k)

17 Механич свой-ва биологич тканей

Костная ткань. Кость – основной материал опорно-двиг-го апп-та. 2/3 массы костной ткани сост неорганич материал, минеральн вещ-во, в остальном кость сост-ит из органич мате-лов. Механич св-ва зависят от факторов, в том числе от возр-та, индив-ых условий роста орг-ма и, от участка орг-ма. Строение кости принимает ей нужные мех св-ва: тведрость, упруг-ть и проч-ть.

Кожа. Она сост из волокон коллагена (75%) и эласстина (4%) и основной ткани – матрицы. Эла-н растяг-ся очень сильно, примерно как резина. Коллаген может растяг-ся до 10 %. Кожа явл-ся вязкоупругим матер-м с высокоэластич-ми свой-ами, она хо-шо растяг-ся и удлин-ся.

Мышцы. В сост мышц входит соединит ткань, состоящ из волокон колл-на и элас-а. Мех св-ва мышц подобны мех св-вам полимеров. Мех поведение скелетной мышцы: при быстром растяж-ии мышц на опред-ую вел-ну напряж-ие резко возрастает, а затем уменьш-ся.

Ткань кровеносных сосудов (сосудист ткань) Мех св-ва опред-ся главн обр-м св-ми коллагена, элас-на и глад-х мыш-ых вол-он. С удалением от сердца увелич-ся доля гладк мыш-ых вол-он, в артериолах они уже явл-ся основной составдяющей сосуд-й ткани.

Если в сосуд-ой стенке сущ мех напряж-ие б, то сила взаим-ия двух половин сосуда =:

F = б * 2hl, где h - толщина, l - длина, 2hl - общая площадь “сечения взаимодействия”

18Гидродинамика. Гидродина́мика — раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкости и газа.  Если поле скоростей, то есть форма и расположение соответствующие ему линии тока не меняются с течением времени, то движение жидкости называется стационарным или установившимся. S1υ1= S2υ2 - уравнение неразрывности струи. Поскольку сечения 1S и 2S могут находиться в любом месте трубки тока, то уравнение неразрывности в общем виде можно записать Sυ =const.(рисунок)

Уравнение Бернулли.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости. При течении реальной жидкости отдеальные слои ее воздействуют друг на друга с силами,касательными к слоям. Это явление наз-ют внутренним трением или вязкостью.

Уравнение Ньютона. η – коэффициент вязкости; dv/dx - градиент скорости;

S – площадь поверхности, к которой приложена сила.

Жидкости, подчиняющиеся уравнению Ньютона,наз-ют ньютоноскими,не подчиняющиеся-неньютоновскими. Кровь явл-ся неньютоновской жидкостью,т.к. Ее вязкость больше,чем у простых жидкостей.

Ламинарное (слоистое) течение - такое течение, при котором слои жидкости текут, не перемешиваясь, скользя друг относительно друга. Ламинарное течение является стационарным - скорость течения в каждой точке пространства остается постоянной. Турбулентное (вихревое) течение - такое течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются. Такое движение сопровождается появлением звука. Турбулентное течение - это хаотическое, крайне нерегулярное, неупорядоченное течение жидкости. Элементы жидкости совершают движение по сложным неупорядоченным траекториям, что приводит к перемешиванию слоев и образованию местных завихрений.

Число Рейнольдса.

Формула Пуазейля.

где Q - объемная скорость жидкости (м³/с), (P₁ - P₂) - различие давления через концы трубки (Па), r - внутренний радиус трубки (м), l- длина трубки (м), η - вязкость жидкости (Па с).

Гидравлическим сопротивлением участка называется отношение перепада давлений к объему жидкости, протекающему за 1 секунду: . Распределение давления при течении реальной жидкости по трубам различного сечения. При течении по горизонтальной трубе реальной жидкости работа внешних сил расходуется на преодоление внутреннего трения. Поэтому статическое давление вдоль трубы постепенно падает. Этот эффект может быть продемонстрирован на простом опыте. Установим в разных местах горизонтальной трубы, по которой течет вязкая жидкость, манометрические трубки

 Падение давления вязкой жидкости в трубах различного сечения

Из рисунка видно, что при постоянном сечении трубы давление падает пропорционально длине. При этом скорость падения давления (dP/dl) увеличивается при уменьшении сечения трубы. Это объясняется ростом гидравлического сопротивления при уменьшении радиуса. В кровеносной системе человека на капилляры приходится до 70 % падения давления.

19Гемодинамикой называют область биомеханики, в кот-ой исслед-ся движение крови по ссосудистой системе. Физической основой гемодинамики явл-ся гидродинамика. Течение крови зависит как от свойств крови, так от свойств кровеносных сосудов.В качестве наглядной модели сердечно-сосудистой системы рассматривают замкнутую, заполненную жидкостью систему из множества разветвленных трубок с эластичными стенками. Движение жидкости происходит под действием ритмично работающего насоса в виде груши с двумя клапанами (рис. 9.1).

Сердце представляет собой ритмически работающий насос, у которого рабочие фазы - систолы (сокращение сердечной мышцы) - чередуются с холостыми фазами - диастолами (расслабление мышцы). В течение систолы кровь, содержащаяся в левом желудочке, выталкивается в аорту, после чего клапан аорты закрывается. Объем крови, который выталкивается в аорту при одном сокращении сердца, называется ударным объемом (60-70 мл). Поступившая в аорту кровь растягивает ее стенки, и давление в аорте повышается. Это давление называется систолическим (САД, Р_с). Повышенное давление распространяется вдоль артериальной части сосудистой системы. Такое распространение обусловлено упругостью стенок артерий и называется пульсовой волной.

Пульсовая волна - распространяющаяся по аорте и артериям волна повышенного (над атмосферным) давления, вызванная выбросом крови из левого желудочка в период систолы.Пульсовая волна распространяется со скоростью v_п = 5-10 м/с. Величина скорости в крупных сосудах зависит от их размеров и механических свойств ткани стенок:

где Е - модуль упругости, h - толщина стенки сосуда, d - диаметр сосуда, ρ - плотность вещества сосуда.

Распределение давления в различных участках сосудистой системы человека (на оси абсцисс - относительная доля общего объема крови на данном участке) .

Работа и мощность сердца. В течение одной систолы правый желудочек выбрасывает в аорту ударный объем крови (60-70 мл). На столько же уменьшается и объем желудочка: ΔV ≈ 65х10^-6 м³. Полезная работа, совершенная сердечной мышцей за одно сокращение, может быть оценена по формуле: ΔΑ = Р_срΔV_уд, где ΔV_уд - среднее значение ударного объема крови, а Р_ср - среднее давление, которое создается внутри желудочка. Оно немного выше систолического давления в артерии: Р_ср ≈ 17 кПа. Отсюда получаем оценку для работы сердечной мышцы за одно сокращение: ΔΑ ≈ 17х10³х65х10^-6 = 1,1 Дж. Полезная мощность, развиваемая сердечной мышцей во время систолы, N_с = ΔΑ/Ί_c, где T_c ≈ 0,3 с - длительность систолы. Отсюда получаем: N_с = 1,1/0,3 = 3,7 Вт. Время одного цикла сердечной деятельности Т ≈ 0,85 с. Средняя мощность за весь цикл равна N_ср = 1,1/0,85 = 1,3 Вт.

20. Строение мембран. Любая мембрана своей структурной основой имеет липидный бислой,состоящий из двух мономолекулярных пленок липидов ,обращенных друг к другу хвостами и контактирующие с окружающей средой головками.Во всех мембранах бислой выполняет две основные функции:матричную и барьерную.

Пассивный транспорт — перенос веществ по градиенту концентрации 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).

Активный транспорт.В мембранах клетки происходит перенос молекул в область большей концентрации,а ионов-против силы,действующей на них со стороны электрического поля.Такая разновидность переноса называется активным.Активный транспорт присущ только биологическим мембранам.благодаря активному транспорту сохраняется пространственная неоднородность в клетке,создаются и поддерживаются градиенты концетрации.Активные перенос вещетв через мембрану осуществляется за счет АТФ.

Потенциал покоя - это дефицит положительных электрических зарядов внутри клетки, возникающий за счёт утечки из неё положительных ионов калия и электрогенного действия натрий-калиевого насоса.Сумараная плотность потока этих ионов равна Величина потенциала покоя может различаться для разных клеток.

Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса.

21

22 Элек-им током наз упоряд-ое движ-ие заряж-ых частиц или заряж-ых макроскоп-ких тел. Различ 2 вида элект-их токов – токи проводимости и конвекционные токи.

Кол-ной мерой электр-кого тока явл сила тока I - скалярная физ вел-на, опр-ая элек-им зарядом, проход-им через попер-ое сечение S проводника в ед вр-ни:     I=dq/dt

Ток, сила и направ-ие кот не измен-ся с теч-ем вр-vи, наз постоянным

Для пост тока I=q/t       

Элек-ий ток, изм-ся с теч вр-ни, наз переменным. Физ вел-на, опред-ая раб-ой сторонних сил при перем-ии един-го положит-го заряда, наз электродвижущей силой (ЭДС) ист-ка: ε=А_ст/q₀

Ома закон, устан-ет, что сила пост элек-го тока в пров-ке прямо пропорц-на раз-ти напряж-ий между 2 фикс-ми точками этого пров-ка:

RI = U

Закон Джоуля-Ленца:Мощ-ть тепла, выдел-го в ед объ-а среды при протек-ии элек-го тока, пропорц-на произ-ию пло-ти элек-го тока на вел-ну напряж-тиHYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5" электр-го поля

ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТОВ- спос-ть электр-ов пров-ть элект-ий. ток при прил-ии элект. Напр-ия. Носит-ми тока явл полож-но и отриц-но заряж-ые ионы - катионы и анионы, кот сущ в р-ре вследствие элект-ой. диссоциации. Ионная Э. э., в отличие от электронной, харак-ой для мет-ов, сопровожд-ся пере-ом в-ва к элек-ам с образ вблизи них новых хим. соед. Общая провод-сть сост из провод-ти кат-в и ан-в, кот под дейс-ем внеш-го электр. поля движутся в противоп-ых напр-ях. Доля общего кол-ва элек-ва, перен-го отд. ионами, наз. числами переноса, сумма кот для всех видов ионов, участ-их в переносе, = ед.  Кол-но Э. э. характ-ют эквива-ой электропр-стью λ – провод-ей способ-ью всех ионов, образ-ся в 1 грамм-эквив-те электр-та. Вел-на λ связ-а с уд. Электропр-ью σ соотн-ем:

Био ткани и органы явл довольно разнород-ми образ-ми с разли-ми элект-ми сопротив-ми, кот могут измен-ся при действии элект-го тока. Это обусл-ет трудности измер-ия элект-го сопротив-ия живых био систем.

Электропров-ть отд-ых участков орг-ма, наход-ся между электродами, налож-ми на повер-сть тела, суще зав-ит от сопрот-ия кожи и подкожных слоев. Внутри орг-ма ток распростр-ся в осн по кровено и лимф сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов. Сопр-ие кожи опред-ся ее сост: толщиной, возрастом, влажностью и т. п.

Электропров-ть тканей и орг-ов зав-ит от их функц-го сост и может быть исп-на как диагнос-ий показ-ль.

23 Двухпол.-ая сист в пров-ей среде, сост из истока и стока тока- токовым диполем.

Расс-ие между истоком и стоком тока (L)- плечом токового диполя.

Обозн-м сопрот-ие среды между электр-ми через R. Тогда сила тока опр законом Ома I=ε/(R+r) сопр-ие среды между элек-ми знач-но меньше, чем внут-ее сопрот-ие исто-ка, то I = ε/r.

Дип-ый мом-т ток-го диполя - вектор, напр-ый от стока (-) к истоку (+) и чис-но = произ-ию силы тока на плечо диполя P_T=I*L

Физ осн-ы электрографии

При изучении электрограмм реш-ся 2 задачи: 1) прямая - выяснение мех-ма возник-ия электрог-мы или расчет потен-ла в области изме-ия по зад-ым харак-кам элект-ой модели органа;

2) обратная- выяв-е сост органа по харак-ру его электро-мы.

Почти во всех сущ. моделях элект-ую акти-ть органов и тканей сводят к дейс-ю опред-ой совокуп-ти токовых элект-их гене-ов, наход-ся в объ-й электропро-ей среде. Для токовых генер-ов вып-ся правило суперпоз-ии элект-их полей

24 Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела. Основные характеристики магнитного поля. 1)магнитная индукция В. Величина магнитной индукции численно равна силе, с которой магнитное поле действует на проводник длиной 1 м, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, по которому протекает ток в 1 А. В системе СИ в Теслах, 1 Тл. 2) магнитным потоком Ф(объемная характеристика поля) Магнитный поток Ф, пронизывающий площадку S, расположенную перпендикулярно силовым линиям поля, определяется как: Ф =В · S В системе СИ в Веберах (Вб). Магнитная индукция, создаваемая проводниками, по которым течет ток, зависит от величины токов, геометрических размеров проводников и от свойств среды, в которой создается поле.3)Напряженность магнитного поля Н - величина, зависящая от тока и геометрических размеров проводников

μ_а – магнитная проницаемость – величина, характеризующая свойства среды, в которой создается магнитное поле. В системе СИ напряженность магнитного поля измеряется в А/м, а магнитная проницаемость в Гн/м. Закон Био́—Савара—Лапла́са — физический закон для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром и сформулирован в общем виде Лапласом. Лаплас показал также, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда (считая движение одной заряженной частицы током).

Магнитное поле кругового тока — создается током текущему по тонкому круглому проводу

Магнитное поле прямого тока:    — Магнитная индукция

 — Магнитная постоянная

 — Магнитная проницаемость среды

 — Сила тока  — Расстояние от провода до точки, где мы вычисляем магнитную индукцию  — Угол между вектором dl и r Энергия магнитного поля. По риснку 7.4 По катушке L течет ток I, поддерживаемый источником эдс e. При размыкании цепи (ключ переводим в положение 2) ток I поддерживается за счет эдс самоиндукции, возникающей за счет уменьшения тока I. При этом Е_сам совершает работу dA по перемещению заряда dq: .

 .                                                                                                     (7.8)

Рис. 7.4. К расчету энергии магнитного соленоида

Закон Ампера.  закон, по которому можно рассчитать силу, действующую на элемент проводника длины  с током . где – вектор магнитной индукции,  – вектор элемента длины проводника, проведенного в направлении тока.  Для прямолинейного проводника длиной  с током  в однородном поле    Рис. 23.1 Сила Лоренца . Сила, действующая на движущийся в магнитном поле заряд, называется магнитной силой Лоренца. ).

25 Вещество, создающее собственное магнитное поле, называется намагниченным. Намагниченность возникает при помещении вещества во внешнее магнитное поле. Гипотеза Ампера: магнитные свойства тела определяются микроскопическими электрическими токами (орбитальное движение электронов в атомах, наличие у электрона собственного магнитного момента, имеющего квантовую природу) внутри вещества. Если направления этих токов неупорядочены, порождаемые ими магнитные поля компенсируют друг друга, т.е. тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле происходит упорядочение этих токов, вследствие чего в веществе и возникает "собственное" магнитное поле (намагниченность). К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения А_ЗВ₅, А₂В₆) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.   µ  чуть <1. µ_{висмута}=0,9998 К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. µ чуть>1. µ_{алюминия}=1,000023 

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. µ >>1. µ_стали = 8^.10³ (железо, никель, кобальт и их сплавы). Сплав железа с никелем: µ =2,5^.10⁵.

Свойства ферромагнетиков

1)Обладают остаточным магнетизмом.

2)µ зависит от индукции внешнего магнитного поля.

3)Температура, при которой исчезают ферромагнитные свой­ства, называется точкой Кюри (вещество становится парамагнетиком; точка Кюри для железа равна 770⁰С, для никеля 360⁰С).

Магнитные свойства тканей организма. Биологические ткани ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени (порядка 10 "⁵). Большинство из них относится к диамагнетикам (сумма магнитных моментов составляющих их биологических молекул равна нулю), которые слабо преобразуют энергию магнитного поля. Так, например, энергия магнитного поля, поглощаемая плазмолеммой, не превышает 10^-16 Дж. Магнитная проницаемость клеток и практически всех жидкостей организма составляет 0,99995. Лишь некоторые вещества, входящие в состав различных структур организма (кислород, соли железа, некоторые гидроперекиси и радикалы), имеют собственный магнитный момент, не зависящий от внешнего магнитного поля. Такие низкомолекулярные соединения относят к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых составляет 1,00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и парамагнетиков существенно не изменяет характера взаимодействия последних с внешним магнитным полем, так как их величины имеют одинаковый порядок.  

МАГНИТОБИОЛОГИЯ- занимается изучением воздействия магнитного поля на биообъекты. Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения: • о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле; • об угнетении роста бактерий в магнитном поле; • о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле; • об ориентации растений в магнитном поле; • о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови; • об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.

БИОМАГНЕТИЗМ - это магнитные поля биологических объектов. Жизнедеятельность любого организма сопровождается протеканием внутри него очень слабых электрических токов - биотоков (они возникают как следствие электрической активности клеток, главным образом мышечных и нервных). Биотоки порождают магнитное поле с индукцией 10^-14-10^-11 Тл, выходящее и за пределы организма. Его называют биомагнитным.

26 .Переменный ток – любой ток, измен-ся со временем. Термин «переменный ток» применяют к квазистационарным токам, зависящим от времени по гармониx закону. Квазистационарным называют ток, для которого время установления одинакового значения по всей цепи значительно меньше периода колебаний. Для них сила тока одинакова в любом сечении неразветвленного проводника и справедлив закон Ома, но сопрот-ие цепи зависит от частоты изменения тока. Перемен ток можно рассматривать как вынужденные электромагнитные колебания.U=U_maxcosωt, I=I_max cos ωt,сила тока в цепи с катушкой индуктивности будет отставать по фазе от приложенного напряжения на π/2: I= I_max cos( ωt- π/2), а ток в цепи с конденсатором будет опережать по фазе напряжение на π/2: I= I_max cos( ωt+π/2),Отношение амплитуды напряжения к амплитуде силы тока по закону Ома выражает сопротивление.Для цепи с резистором – омическое сопротивление R=U/I. Для цепи с катушкой индуктивности – индуктивное сопротивление X_L=ωL=2πfL. Для цепи с конденсатором – емкостное сопротивлениеX_c=1/ωC=1/2πfC. I²_maxZ²=I²_maxR²+[I_maxLω-I_max/(Cω)]², где Z – полное сопротивление цепи переменного тока, называемое импедансом. Z==.Омическое сопрот-ие R цепи также называют активным, оно обуславливает выделение теплоты в цепи в соответствии с законом Джоуля – Ленца. Разность индуктивного и емкостного сопротивлений (X_L-X_C) называют реактивным сопротивлением. Если индуктивное и емкостное сопротивления цепи при их последовательном соединении одинаковы, то Z=R. tgY=0 и y=0. Это означает, что сила тока и приложенное напряжение измен-ся в одной фазе так, как будто в цепи имеется только омическое сопрот-ие, напряжения на индуктивности и емкости одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе. Этот случай вынужденных электрических колебаний называют резонансом напряжения. ω_рез= – резонансная частота. При этом условии полное сопротивление Z цепи имеет наименьшее значение, равное R, а сила тока достигает наибольшего значения.Ткани орг-ма проводят не только постоянный, но и переменный ток. В орг-ме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность его близка к нулю. Биолмембраны и весь орг-зм обладают емкостными св-ми, в связи с этим импеданс тканей ор-ма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями. Наличие в биол системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе приложенное напряжение.Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать при пересадке тканей и органов. В мертвой ткани разрушены мембраны – «живые конденсаторы» и ткань обладает лишь омическим сопротивлением. Импеданс тканей также зависит и от физиологического состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечнососудистой деятельности.Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмография).С помощью этого метода получают реограммы головного мозга, сердца, магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30 кГц.

27 Чел-ий орг-м сост из био-их жид-ей, сод-щих большое кол-во ионов, кот уч-ют в раз-ых обм-ых проц-ах. Под вли-м элек-го поля ионы дви-ся с разной ск-ю и скапл-ся около кле-ых мем-ан, обр встречное элект-ое поле, назыв-ое поляриз-ым. первичное де-ие пост-го тока связано с дв-ем ионов, их раздел-м и изме-м их конц в разных элем-ах тканей.

Непр-ый пост ток напр-ем 60-80 В исп как леч метод физиотер-ии. Исто-м тока обычно служит двухполупериодный выпрямитель-аппарат для гальванизации.

Пост ток исп-ют в леч пр-ке также и для вв-ния лекар-ых в-в че-з кожу или слиз-ые обо-ки. Этот метод получил наз электрофореза лекар-ых в-в.

Дей-е пере-го тока на орг-м сущ-но зав-т от его частоты. При низких, зву-х и ультразв-х час-х пере-ый ток, как и пост, выз-ет раздр-ее дей-ие на био-ие ткани. Это обусл-но смещ-м ионов рас-ов элек-литов, их разде-м, изм-м их конц в разных частях кл-ки и межкл-го прост-ва. Раздр-ие тканей зависит также и от формы импуль-го тока, длите-сти им-са и его амплитуды. Де-ие пере-ого тока на орг-м при низких, зву-ых и ультразв-ых частотах оцен-ся след пороговыми знач-ми: пор-м ощут-го тока и порогом неотпус-го тока. Порогом ощутимого тока наз наиме-ую силу тока, раздр-ее дей-е кот ощущ чел-к. Мин силу этого тока наз пор-м неотпуск-го тока.

Индуктотермия- метод электролечения, в осн кот лежит возд-ие на орг-м магн-ым полем высокой частоты (3-30 МГц).При индукт-ии кол-во теплоты, выдел-ся в тканях, пропорци-но квад-ам частоты и индукции перем-го магн-го поля и обратно пропорц-но удел-му сопро-ию.

УВЧ-терапия - метод физиотерап, заключ-ся в возд-ии на участки тела боль-го электромаг-ым полем ультравыс-ой частоты. При перед энергии поля телу бол-го нач-ет дей-ать пер-ное элект-ое поле УВЧ, облад-ие способ-тью проникать и распрос-ся в тканях тела на большую глубину. В РФ в аппаратах УВЧ исп частоту 40,58 МГц, в сл-ае токов такой ча-ты диэлектр-ие ткани орг-ма нагр-тся инте-нее проводящих.

Физиотерапев-ие методы, основ на прим-ии электромаг-ых волн СВЧ-диапазона, в завис-ти от длины волны получи 2 названия: микровол-ая терапия и ДЦВ-терапия. Учит-ая слож-й сост тканей, усл-о счит, что при микровол-й терапии глубина проник-ия электрома-ых волн равна 3-5 см от пове-ти тела, а при ДЦВ-терапии–до9 см.

28электромагнитныеволны — распространяющееся в пространстве возмущение(изменение состояния)эм поля. Ур-ие волны s(x,t)=f(t-x/v(скорость)) В синусоидальной волне распространение колебания частиц происходит по гармоническому з-ну Ур-ие плоской синусоидальной волны s=Asinw(t-x/v(скорость))где W — частота синусоидальной волны A-амплитудаволны v-скоростьраспространенияволны t-x/v-фазаволны Шкала эм волн Вся шкала условно подразделенана шесть диапазонов:радиоволны (длинные,средние,короткие),инфракрасные,видимые,УФые,рентгеновскеволны,гамма-излучение. Эта клас-ия определяется либо механизмом образования волн, их частотой, либо возможностьюихзрительноговосприятиячеловеком. Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходятизатомов, молекул,быстрыхзаряжчастиц.Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, у-излучение имеет ядерное происхождение. Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоватьсявразных процессах.Так,наиболеекоротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским. Световая волна — электромагнитная волна в диапазоне длинволнвидимогоизлучения Монохроматический свет — это световые колебания одной частоты. Электромагнитная волна одной определённой и строго постоянной частоты. По своей физической природе электромагнитные волны видимого диапазона не отличаются от волн другово диапазонов (инфракрасного,ультрафиолетового, рентгеновского и т. д.), и по отношению к ним такжеиспользуют термин «монохроматический» («одноцветный»), хотя никакого ощущения цвета эти волны не дают.Монохроматический свет получают несколькими способами :1) Призматические системы для выделения потока излучения с заданной степенью монохроматичности

2.  Системы на основе дифракционной решетки.

3. Газоразрядные лампы и другие источники света, в которых происходит преимущественно один электронный переход

Интерфере́нциясве́та -перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называетсяинтерференционнойкартинкой.Получить устойчивую интерференционную картину для света от двух разделённых в пространстве и независящих друг от друга источников света не так легко, как для источников волн на воде. Атомы испускают свет  очень малой продолжительности, и когерентность нарушается. Сравнительно просто такую картину можно получить, сделав так, чтобы интерферировали волны одного и того же цуга. Так, интерференция возникает при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветленных обьективов. Луч света, проходя через плёнку толщиной d, отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, от чего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при , где  — длина волны. Если  нм, то толщина плёнки равняется 550:4=137,5 нм. Лучи соседних участков спектра по обе стороны от  нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску. В приближениигеом оптики, когда есть смысл говорить об оптической разности хода лучей, для двух лучей— условие максимума; — условие минимума,где k=0,1,2… и  — оптич длина пути первого и второго луча, соответственно.Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей

29 Принцип Гюйгенса—ФренеляОбъяснение и приближенный расчет дифракции света можно осуществить, используя принцип Гюйгенса—Френеля.

Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, ко­торой достигла в данный момент волна, является центром элемен­тарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени (рис. 19.9; S₁ и S₂ — волновые поверхности соответственно в моменты t₁ и t₂; t₂ > tj).

Френель дополнил это положение Гюйгенса, введя представ­ление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В таком обобщенном виде эти идеи получили название принципа Гюйгенса—Френеля.

Для того чтобы определить рез-ат дифракции в некоторой точке прост-ва, следует рассчитать, согласно принципу ГФ, интерференцию вторичных волн, попавших в эту точку от различных элементов волновой по- в-ти. Для волновой пов-ти произ- вольной формы такой расчет достаточно сло- жен, но в отдельных случаях (сферическая или плоская волновая поверхность, симметричное расположение точки относительно волновой поверхности и непрозрачной преграды) вычис- ления сравнительно просты. Волновую пов-ть при этом разбивают на отдельные участ- ки (зоны Френеля), расположенные определенным образом, что упрощает математические операции. Дифракция на щелиНа узкую длинную щель, расположенную в плоской непроз­рачной преграде MN, нормально падает плоскопараллельный пу­чок монохроматического света (рис. 19.10; АВ = а — ширина ще­ли; L — собирающая линза, в фокальной плоскости которой рас­положен экран Э для наблюдения дифракционной картины).Если бы не было дифракции, то световые лучи, пройдя через щель, сфокусировались бы в точке О, лежащей на главной оптиче­ской оси линзы. Дифракция света на щели существенно изменяет явление.Число зон, укладывающихся в щели, зависит от длины волны λ и угла а. Если щель АВ можно разбить при построении на не­четное число зон Френеля, a BD — на нечетное число отрезков, равных Х/2, то в точке О' наблюдается максимум интенсивнос­ти света:

\BD\ = a sin а = + (2k + 1)( λ/2); k = l,2 (19.26)

Направление, соответствующее углу а = 0, также отвечает макси­муму, так как все вторичные волны придут в О в одинаковой фа­зе.Если щель АВ можно разбить на четное число зон Френеля, то наблюдается минимум интенсивности света: a sin а = + 2k(λ/2) = ± k; λ k = 1, 2, ... .

Дифракционная решеткаДифракционная решетка — оптическое устройство, пред­ставляющее собой совокупность большого Пусть на решетку нормально падает плоскопараллельный пу­чок когерентных волн Выберем некоторое направле­ние вторичных волн под углом а относительно нормали к решет­ке. Лучи, идущие от крайних точек двух соседних щелей, имеют разность хода 8 = А'В'. Такая же разность хода будет для вторич­ных волн, идущих от соответственно расположенных пар точек соседних щелей. Если эта разность хода кратна целому числу длин волн, то при интерференции возникнут главные максиму­мы, для которых выполняется условие \А'В'\ = ± kλ, илис sin а = + kλ,

где k = О, 1, 2, ... — порядок главных максимумов. Они расположе­ны симметрично относительно центрального (k = 0, а = 0). Равенство является основной формулой дифракционной решетки¹.

Между главными максимумами образуются минимумы (доба­вочные), число которых зависит от числа всех щелей решетки. Выведем условие для добавочных минимумов. Пусть разность хо­да вторичных волн, идущих под углом а от соответственных то­чек соседних щелей, равна λ/N, т. е.

8 = с sin а = λ/N,

При падении на дифракционную решетку белого или иного немо­нохроматического света каждый главный максимум, кроме цент­рального, окажется разложенным в спектр В этом случае k указывает порядок спектра.

Таким образом, решетка является спектральным прибором, поэтому для нее существенны характеристики, которые позволя­ют оценивать возможность различения (разрешения) спектраль­ных линий.

Одна из таких характеристик — угловая дисперсия — опреде­ляет угловую ширину спектра. Она численно равна угловому рас­стоянию da между двумя линиями спектра, длины волн которых различаются на единицу (dλ = 1):

D - da/dλ

.

. Основы рентгеноструктурного анализа

измерение параметров кристаллической решетки посредством дифракции рентгенов­ских лучей, является содержанием рентгеноструктурного анализа.

Пусть совмещены две дифракционные решетки, штрихи кото­рых перпендикулярны. Для решеток выполняются условия глав­ных максимумов:

С₁ sin а₁ = ± k1λ, с₂ sin а₂ = ± k₂λ.Углы а₁ и а₂ отсчитываются во взаимно перпендикулярных на­правлениях. В этом случае на экране появится система пятен, каждому из которых соответствует пара значений k₁ и k₂ или а₁ и а₂. Таким образом, и здесь можно найти с₁ и с₂ по положению дифракционных пятен.Взаимодействие рентгеновско­го излучения с атомами и возникновение вторичных волн можно рассматривать упрощенным методом как отражение от плоскос­тей. Пусть на кристалл под углом скольжения θ падают рентге­новские лучи 1 и 2; Г и 2'— отраженные (вторичные) лучи, СЕ иCF — перпендикуляры к падающим и отраженным лучам соответственно. Разность хода отраженных лучей Г и 2'

5 = \DE\ + \DF\ = 2lsin θ

В настоящее время широко применяют рентгеноструктурный анализ биологических молекул и систем Этим методом Дж. Уотсон и Ф. Крик ус­тановили структуру ДНК и были удостоены Нобелевской премии (1962). Использование дифракции рентгеновских лучей от крис­таллов для исследования их спектрального состава относится к области рентгеновской спектроскопии.

Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине

Голография¹ — метод записи и восстановления волнового поля, основанный на интерференции и дифракции волн.

Идея голографии была впервые высказана Д. Габором в 1948 г., однако ее практическое использование оказалось возможным пос­ле появления лазеров.

Интерференционную картину, образованную сложением сигнальной и опорной волн и зафиксированную на светочувст­вительной пластинке, называют голограммой.

Особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультразву­ковых механических волнах, можно восстановить ее видимым све­том. Ультразвуковая голография в перспективе может быть ис­пользована в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью. Учитывая большую информа­тивность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравнению с рентгеновским излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая интроскопия заменит | традиционную рентгенодиагностику.

Еще одно медико-биологическое приложение голографии свя­зано с голографическим микроскопом. Один из первых способов построения голографического микроскопа основан на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограм­му, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящей­ся сферической волной.

30 Поляризация света, одно из фундаментальных св-в оптич излч-я (света), состоящее в неравноправии разл-х направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. П. с. называются также геом хар-ки, которые отражают особенности этого неравноправия. З-н Малюса — физ закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора. где  — интенсивность падающего на поляризатор света,  — интенсивность света, выходящего из поляризатора,  — коэффициент пропускания поляризатора.Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году.

З-н Брю́стера — з-н оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения. Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча. Это явление, получило название двойного лучепреломления. При ДЛ один из лучей удовлетворяет обычному з-ну преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается на чертежах буквой о. Для другого луча, называемого необыкновенным (его принято обозначать буквой е), отношение (sini₁/sini₂) не остается постоянным при изменении угла падения. Даже при нормальном падении необыкновенный луч, вообще говоря, отклоняется от первоначального направления . Явление двойного лучепреломления наблюдается для всех прозрачных кристаллов, за исключением принадлежащих к кубической системе. Среди явлений, воз-щих при взаимодействии света с в-ом, важное место занимает явление, открытое Д. Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце: при прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относятся кристаллические тела , чистые жид-ти и р-ры некоторых в-в (водные р-ры сахара, винной к-ты и др.). Кристаллические в-ва сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота φ пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле: φ=α l. Коэффициент α называют постоянной вращения. Для растворов Ж.Био (1831 г.) обнаружил следующие закономерности: угол φ поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в р-ре и конц-ции С активного в-ва в р-ре: φ=[α]Сl, (3.13) где [α] – удельное вращение. Оно хар-ует природу в-ва, зависит от природы в-ва и температуры. Поляриметрия — методы физ исследований, основаны на измерении степени поляризации света и угла поворота плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные в-ва. Угол поворота в р-рах зависит от их конц-ции; поэтому поляриметрия широко применяется для измерения концентрации оптически активных веществ. Исследование биологических тканей в поляризованном светеПоляризованный свет можно использо­вать в модельных условиях для оценки ме­хан напряжений, возник-щих в костных тканях. Этот метод основан на яв­л-ии фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии   в   первоначально   изотропных   тв телах  под  действием механ нагрузок. Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую мо­дель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит  тем­ной.  Прикладывая  нагрузку,  вызывают  ани­зотропию  плексигласа, что становится за­метным по характерной картине полос и пя­тен. По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или умень­шении нагрузки можно делать выводы о ме­ханических напряжениях, возникающих в модели, а, следовательно, и в натуре

31 ПОГ-ИЕ СВЕТА – умен-ие интенс-ти оптич. излуч-ия при прохож-ии через к- -л. среду за счёт взаимод-ия с ней, в рез-те к-рого свет-я энергия перех-ит в др. виды энер-и или в оптич. Изл-ие др. спектр-го сос. Осн. законом П. с., связ-им интенс-ть I пучка света, прош-го слой погл-ей среды толщ-й l с интенсив-ью пада-го пучка I₀, явл закон Бугера Реш-ем этого ур-ния и явл Бугера - Ламберта - Бера закон. Физ. смысл его сост в том, что сам процесс потери фотонов пучка в среде, характ-ый k_λ не зав-ит от их плотн-и в свет-ом пучке

Завис-ть k_λ от длины волны света λ наз спектром погл-ия вещ-ва. Спектр погл-ия изолир. атомов имеет вид узких линий соответ-их част-м собств.колебаний

Элект-ов внутри атомов. Спектр погл-ия мол-л, опр-ый колеб-ми атомов в них, сост из сущ-но более шир-х областей длин волн

Рассе́яние све́та — рас-ие электромаг-ых волн вид-го диап-на при их взаимод-ии с вещ-вом. При этом проис-ит изм-ие пространс-го распред-ия, частоты, поля-ии оптичго излу-ия, хотя часто под рас-ем пон-ся только преобраз-ие угл-ого распр-ия свет-о потока.

W=w’- упругое рас-ие

w≠w’ — неупругое рас-ние

w>w’ — стоксово рас-ие

 — антистоксово рас-ие

Нефелометрия — метод исследования и анализа вещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами данного вещества.

Интен-сть рас-го свет-го потока зав-ит от множ-ва фак-ов, Бол-ое знач-е при нефело-ии имеет объём частиц, расс-их свет. Продукт реа-ии должен быть прак-ки нераст-им и предст-ть собой суспе-ю.

Комбин-ое рас-ие света— неупр-ое рас-ие оптич-го излуч-ия на мол-ах вещ-ва сопровожд-ся изм-ем частоты изл-ия.

32Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче­ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул в­ва (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение хар­тся сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые)электромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные)

Закон излучения Кирхгофа — физ закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

.Законы излучения черного тела Абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает электромагнитные волны любых частот, т.е. все лучи, падающие на тело и ничего не отражает. Поглощая энергию, абсолютно чёрное тело нагревается и само начинает излучать. Примеры: сажа, черный бархат, платиновая чернь, Солнце. Модель а.ч.т.: непрозрачный ящик с небольшим отверстием. (днем окна домов кажутся темными).

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения (Спектральной Плотности Энергетической Светимости) абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком.

Ультрафиолетовое Излучение Солнца-коротковолновое электромагнитноеизлучение (400­10 нм), на долю которого приходится около 9% всей энергииизлучения Солнца. Ультрафиолетовое излучение Солнца ионизирует газыверхних слоев земной атмосферы, что приводит к образованию ионосферы.

Теплоотдача организма

Тепло образуется во всех тканях организма. Теплоотдача происходит путем излучения (55%), испарения (5% из дыхательных путей и 25% с поверхности кожи), проведения (15%) и конвекции (5%).

Термографи́я

в медицине— метод регистрации инфракрасного излучения тела человека в целях диагностики различных заболеваний.

33 Модель атома Н. Бора. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальнымиданными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Т. е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Энергетический уровень - ­ совокупность орбиталей, которые имеют одинаковые значения главного квантового числа. Число энергетических уровней атома равно номеру периода, в котором он расположен. Например, калий ­ элемент четвертого периода, следовательно имеет 4 энергетических уровня (n = 4).

АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ ­ спектры поглощения и испускания свободных или слабо взаимодействующих атомов, возникающие при излучательных квантовых переходах между их уровнями энергии. А. с. наблюдаются для разреженных газов или паров и для плазмы. А. с. линейчатые, т. е. состоят из отд.спектральных линий, каждая из к­-рых соответствует переходу между двумя электронными уровнями энергии атома и и характеризуется значением частоты поглощаемого и испускаемого эл-­­магн. излучения;

Водородоподобный атом — атом, содержащий в электронной оболочке один и только один электрон.

Таким атомом, кроме водорода и его тяжёлых изотопов (дейтерия и трития), может быть любой ион, если число потерянных им электронов равно заряду атома - 1. Поскольку у такого иона остаётся только один электрон, его и называют водородоподобным атомом. Электронные спектры таких атомов описываются теорией Бора.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ, спектры испускания и поглощения электромагн. излучения и комбинац. рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным молекулам. Имеют вид совокупности полос (линий) в рентгеновской, УФ, видимой, ИК и радиоволновой (в т.ч. микроволновой) областях спектра. Положение полос (линий) в спектрах испускания (эмиссионных М. с.) и поглощения (абсорбционных М. с.) характеризуется частотами v (длинами волн 1 = c/v, где с­скорость света) и волновыми числами v= 1/l; оно определяется разностью энергий Е' и Е: тех состояний молекулы, между к­рыми происходит квантовый переход:

34 Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период, излучаемых световых волн.

Виды люминесценции:

1) Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами – ионолюминесценция, электронами – катодолюминесценция, ядерным излучением – радиолюминесценция;

2) Люминесценцию под воздействием рентгеновского и гамма-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов – фотолюминесценцией;

3) При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция;

4) Электрическим полем возбуждается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда;

5) Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

Фотолюминесценция, называемая иногда просто люминесценцией, подразделяется на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение). Фотолюминесценция начинается с возбуждения атома или молекулы фотоном внешнего излучения с некоторой частотой ν. В результате атом переходит с основного энергетического уровня (1) на один из возбужденных уровней (2). Далее возможны три продолжения.

1. Атом (молекула) возвращается на основной уровень с испусканием фотона, частота которого равна частоте поглощенного фотона: vл = ν (рис. а). Такая люминесценция называется резонансной.

2. Возбужденный атом взаимодействует с окружающими его атомами и безызлучательно переходит на нижний возбужденный уровень (2). Затем он переходит на основной уровень, испуская фотон меньшей частоты: νл< ν (рис. б). Такая люминесценция называется стоксовой.

3. Возбужденный атом взаимодействует с окружающими его атомами и переходит на верхний возбужденный уровень Затем он переходит на основной уровень, испуская фотон большей частоты: νл > ν (рис. в). Такая люминесценция называется антистоксовой.

В процессе фотолюминесценции происходит преобразование поглощаемой световой энергии в энергию люминесцентного излучения.Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения. Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения (рис.1). Таких полос может быть несколько. Совокупность всех полос возбуждения образует спектр возбуждения.

Распределение интенсивности люминесцентного излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции: Iл = f(λл).Исследования показали, что спектр люминесценции не меняется при изменении длины волны возбуждающего света в пределах полосы возбуждения.

Каждый люминофор характеризуется своими, только ему присущими спектрами люминесценции и поглощения.

На люминесцентное излучение тратится только часть энергии поглощаемого света. Поэтому для люминесценции выполняется правило (закон) Стокса:

Спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения.

Правило Стокса используется в осветительной технике для преобразования ультрафиолетового излучения в видимый свет. Примером является ртутная лампа, в которой пары ртути, возбуждаемые электрическим разрядом, излучают ультрафиолет. На внутреннюю поверхность лампы нанесен слой люминофора с подходящим спектром люминесценции в видимой области. По сравнению с лампами накаливания такие лампы более экономичны.

Хемилюминесценция

Люминесценция, возникающая в химических реакциях, при которых происходит выделение энергии, называется хемилюминесценцией. При этом происходитпревращение химической энергии в световую.

При хемилюминесценции свет испускается либо непосредственно продуктамиреакции, либо другими компонентами, которым передается возбуждение. Яркость хемилюминесценции пропорциональна скорости реакции.Хемилюминесценция, которая возникает в биологических объектах, называется биохемилюминесценцией.Биохемилюминесце-нция присуща самым разнообразным видам живых существ (всего около 250 видов).

Механизм биохемилюминесценции определяется реакциями окисления. Например, если поместить кусок светящейся гнилушки под колпак воздушного насоса и откачать воздух, то свечение прекратится. Если после этого под колпак подать

воздух, то свечение возобновится. Было показано, что в биологических системах хемилюминесценция возникает при рекомбинации перекисных свободных радикалов липидов. Свечение при биохемилюминесценции бывает весьма интенсивным - известен случай, когда хирурги оперировали в полевых условиях по ночам при свете банок, наполненных тропическими светляками.

Использование люминесценции в биологии и медицине

Люминесцентный анализ - совокупность методов для определения природы и состава вещества по спектру его люминесценции.

Качественный анализ - определение наличия (или отсутствия) каких-либо веществ (молекул) по форме спектра люминесценции. При этом можно изучать структуру молекул вещества; межмолекулярное взаимодействие; химические превращения.

Количественный анализ - определение количества вещества по интенсивности спектра люминесценции.

Макроанализ - наблюдение невооруженным глазом люминесценции объектов, облученных УФ-излучением:

- проверка качества и сортировка пищевых продуктов.

- сортировка фармакологических средств.

- свечение волос, чешуек, ногтей при диагностике их поражения грибком и лишаем.

Микроанализ - исследование люминесцирующих микрообъектов при помощи

специальных люминесцентных микроскопов, в которых есть специальный осветитель, содержащий ртутную лампу со светофильтром, пропускающим УФ-излучение.

Флуоресцентные зонды

В некоторых медицинских исследованиях применяются специальные люминофоры, вводимые в организм и распределяющиеся по тканям в соответствии со своими свойствами. Такие люминофоры получили название флуоресцентных зондов. Например, при введении раствора такого люминофора в кровь он разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Люминесценция возбуждается длинноволновым ультрафиолетовым излучением и наблюдается в видимом свете. В поверхностных тканях с пониженным кровоснабжением люминесценция появляется позже, чем в тканях с нормальным кровоснабжением.

Флуоресцентные метки

Флуоресцирующие молекулы можно ковалентно связывать с определенными молекулами, и затем эту систему вводить в исследуемый объект. Такие молекулы называются флуоресцентными метками.Примером является использование флуоресцентно меченых антител. Если добавить такие антитела к суспензии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному антителу антигены. Возникает яркая люминесценция определенных клонов клеток, наблюдаемая в люминесцентном микроскопе. Данная методика используется в иммунологических исследованиях крови.

35 Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет

вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Особенности лазерного излучения:

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных

источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной .

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным,т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу . На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈ 0,01 нм).

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения.

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока.

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне,яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика.

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д).При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности,создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине:

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Еи) определяется соотношением Еи = Ри-Ти,

где Ти - длительность импульса излучения.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения,

генерируемых лазером за 1 с.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Рср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с.

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = Eи/S, где S (см2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани.

Типы лазеров:

1) Твердотельные лазеры с оптической накачкой

2) Газовые лазеры

3) Химические лазеры

4) Полупроводниковые лазеры

5) Лазеры на красителях

Вынужденное (индуцированное) излучение— генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы,ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. Под вынужденном (индуцированным) понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Главной особенностью такого излучения является то, что возникшая при излучении световая волна не отличается от падающей на атом волны ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

Устройство и принцип действия газового гелий-неонового лазера:

В 1960 году был создан газовый гелий-неоновый лазер, возбуждение в котором возникало при электрическом разряде. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль.При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 1 на возбужденный 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Для создания инверсной населенности нужно каким-то образом увеличить населенность уровень 3 и уменьшить на уровне 2. Атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 3. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии. Для разгрузки уровня 2 подбирают такой размер газоразрядной трубки, чтобы при соударении с ее стенками атом неона отдавал энергию, переходя с уровня 2 на 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера (рис.2) является газоразрядная трубка 1, обычно кварцевая, диаметром около 7 мм. В трубке 2 при давлении около 150 Па находится смесь гели и неона. В трубку вмонтированы электроды 3 для создания газового разряда. На концах трубки расположены плоскопараллельные зеркала 4 и 5, одно из них

(5) полупрозрачное. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, в зависимости от

направления их движения либо вылетают из боковой поверхности трубки, либо многократно

отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходу. Таким образом, пучок,

перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через

полупрозрачное зеркало 5.

Применение лазеров в медицине:

Лазер находит приложение и в медицине. Можно указать два основных направления. Первое

основано на свойстве лазеров разрушать биологические ткани, что совместно с коагуляцией белка позволяет производить некоторые бескровные рассечения. В этом направлении можно отметить следующие применения: безоперационное лечение отслойки сетчатки, для этой цели был создан специальный лазерный прибор – офтальмокоагулятор; световой бескровный нож в хирургии, который не нуждается в стерилизации; лечение глаукомы посредством <прокалывания> лазером отверстий размером 50-100 мкм для оттока внутриглазной жидкости; уничтожение раковых клеток; разрушение дентина при лечении зубов. Второе направление связано с голографией. Так, например, на основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней

полости желудка. Гелий-неоновый лазер находит применение для лечения ряда заболевания:

трофические язвы, ишемическая болезнь сердца и др.

36 Рентгеновское излучение - электромагнитные волны длиной приблизит-но от 80 до 10^-5 нм. По способу получ рентген-ое излуч-ие подразделяют на тормозное и характеристическое.

Устрой-во рентген-ой трубки. Трубка предствляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревательный катод испускает электроны. Анод имеет наклонную поверх-ть, для того чтобы направить возникающ рентген-ое излуч под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящ тепло матер-ла для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов.

В результ торможения электрона электростатич полем атомного ядра и атомных электронов вещ-в анода возникает тормозное рентген-ое излучение. Механизм: с движущимся электрич зарядом связано магнитное поле, индукция кот зависит от скорости электрона. При торможении уменьш-ся магнитн индукц и появляется электромагнитная волна.

Увеличивая напряж-е на рентген-ой трубке, можно заметить на фоне сплошного (непрерывного) спектра появление линейчатого, кот соответствует характеристическому рентген-ому излуч-ю. Оно возникает из-за того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутр-них слоев выбивают электроны. На свободные места переходят элек-ны с верхних уровней, в результ высвечиваются фотоны характерист-ого излуч-я.

Взаимодей-вие рентген-ого излуч-я с вещ-вом. В зависимости от соотнош энергии hv фотона и энергии ионизации А_и различают 3 главных процесса. Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентген-ого излуч-я происходит в основном без изменения длины волны. Оно возникает, если hv<А_и

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Рассеяние рентген-ого излуч-я с изменением длины волны. Оно возникает, если hv>А_и

Фотоэффект. При фотоэффекте рентген-ое излуч-е поглощ-ся атомом, в результ чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэф-т может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Применение рентген-ого излу-я в медицине. Рентгенодиагностика - просвечивание внутр органов с диагностич целью. Использ-тся в 2 вариантах: 1) рентгеноскопия - изображение рассмаривают на рентгенолюминесцирующем экране, 2) рентгенография - изображ фиксируется на фотопленке. Включает в себя неск. вариантов: а) При массовом обследовании населения широко использ-ся флюрография, при кот на чувствит-ой малоформатной пленке фиксируется изображ с рентгенолюминесцирующ экрана; б) Рентген-ая томография, и его “машинный вар-т” - компьют-ая томография. Рентгенотерапия - ренген-ое излуч-е применяется для уничтож-я злокачественных образований.

37 АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ.

1. Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).

2.Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.

3.Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10^-13. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.

4.Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.

5.Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра,а только с несколькими соседними.

6.Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, т. е. тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.

Энергия связи ядра.

Энергия связи нуклонов в ядре атома объяснена в общей теории взаимодействий исходя из гравитационной природы ядерных сил. Внимательно приглядевшись к эмпирической формуле энергии связи, и с учётом формулы Эйнштейна, такой наш подход не должен вызывать возражений. Часть энергии гравитационного поля каждого из нуклонов расходуется на удержание нуклонов вместе в составе ядра, и, следовательно, не обнаруживает себя в окружающем ядро пространстве. Эта энергия гравитационного поля каждого нуклона и есть энергия связи ядра.

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц.

Альфа-распад состоит в самопроизвольном превращении одного ядра в другое ядро с испусканием α-частицы(ядра атома гелия )

Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Различают три вида .

1. Электронный, или , который проявляется в вылете из ядра

2. Позитронный, или . Схема:

3.Электронный, или e-захват. Схема:

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»^[1] и «Радиоактивное превращение»^[2], сформулировав следующим образом.

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод.

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

которое означает, что число распадов −dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числу атомов N в образце.

Акти́вность радиоакти́вного исто́чника — ожидаемое число элементарных радиоактивных распадов в единицу времени.

38. Взаимодействуя с другими молекулами биологических систем, потоки фотонов, а также заряженных или нейтральных частиц вызывают разрушение мембран, клеточных ядер и, следовательно приводят к нарушению функций организма. Характер воздействия ионизирующего излучения на вещество зависит от поглощенной дозы излучения и его вида.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценивается линейной плотностью ионизации, линейной тормозной тормозной способностью вещ-ва и средним линейным пробегом частицы.

Линейная плотность ионизации - число пар ионов, образующихся в месте прохождения заряженной частицы из расчета на единицу ее пробега в среде; используется для характеристики ионизирующего излучения.

Линейная тормозная способность вещества S называют отошение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути: S=dE/dl

Средним линейным пробегом заряженной ионизирующей частицы R является ср. знач. Расстояния между началом и концом пробега ионизирующей частицы в данном вещ-ве.

При взаимодействии ионизирующего излучения с молекулами органических соединений могут быть образованы высокоактивные возбуждённые молекулы ионы и радикалы. Биологическое действие ионизирующих излучений, изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов. Для Б. д. и. и. характерен ряд общих закономерностей. 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления — митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов

Использование радионуклидов в медицине:

Гамма-топограф сцинтиграф, скенер, прибор для автоматической регистрации распределения интенсивности в каком-либо органе излучения радиоактивного препарата после введения его в организм с диагностической целью.

Авторадиография (радиоавтография) — метод изучения распределения радиоактивных веществ в исследуемом объекте. Метод используется в медицине, технике, а также в биологии, например, для изучения процессов фотосинтеза, где прослеживается след радиоактивного диоксида углерода, проходящего через различные химические стадии. Фотографическое изображение распределения радиоактивных веществ, полученное методом авторадиографии, называется авторадиограммой, или радиоавтографом.

Гамма-терапия совокупность методов лучевой терапии (главным образом больных со злокачественными опухолями), использующих гамма-излучение радиоактивных изотопов и др. источников. Биологическое действие излучения обусловлено величиной поглощённой энергии излучения (дозой). Распределение дозы в теле больного зависит от энергии гамма-излучения, геометрии пучка, а также от метода облучения. Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет подводить к глубоко расположенным опухолям значительно большие дозы, чем при использовании рентгеновского излучения.

39 Дозиметрия (ионизирующих излучений) — раздел прикладной ядерной физики, предметом исследования которого является определение физических величин, характеризующих воздействие ионизирующих излучений (см. Излучения ионизирующие) на среду, и разработка методов и средств для измерения этих величин. Дозиметрия основана на измерении  ионизации, которую производит излучение в воздухе или газе, или на измерении энергии излучения, поглощенной средой.

 ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ И ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА. МОЩНОСТЬ ДОЗЫ

Уже отмечалось, что ионизирующее излучение только тогда оказывает действие на вещество, когда оно взаимодействует с частицами, входящими в состав этого вещества.

Независимо от природы ионизирующего излучения его взаимодействие количественно может быть оценено отношением энергии, переданной элементу облученного вещества, к массе этого элемента. Эту характеристику называют дозой излучения (поглощенной дозой излучения) D.

Различные эффекты ионизирующего излучения прежде всего определяются поглощенной дозой. Она сложным образом зависит от вида ионизирующего излучения, энергии его частиц, состава облучаемого вещества и пропорциональна времени облучения. Дозу, отнесенную ко времени, называют мощностью дозы.

Единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гр), который соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж; мощность дозы излучения выражается в греях в секунду (Гр/с). Внесистемная единица дозы излучения - рад¹ (1 рад = 10^-2 Гр = 100 эрг/г), ее мощности - рад в секунду (рад/с). Экспозицио́нная до́за — мера ионизации воздуха в результате воздействия на него фотонов, равная отношению суммарного электрического заряда ионов одного знака, образованного ионизирующим излучением, поглощённым в некоторой массе сухого воздуха при нормальных условиях, к массе этого воздуха. Эквивалентная доза  поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения. Единицей измерения является Джгкг"', имеющая специальное наименование - зиверт (Зв).

ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Работа с любыми источниками ионизирующих излучений требует защиты персонала от их вредного действия. Это большая и специальная проблема, в значительной степени выходящая за пределы чисто физических вопросов. Кратко рассмотрим ее.

Различают три вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом.