- •Раздел I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика 16 глава 1. Законы динамики ньютона. Законы сохранения 16
- •Вопросы и задачи к главе I. 33 глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе 52
- •Глава 4. Реальные газы 74
- •Вопросы и задачи и вопросы к главе 4. 82 глава 5. Поверхностное натяжение жидкости 82
- •Вопросы и задачи к главе 5 102
- •Вопросы задачи к главе 4 180
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны 181
- •Вопросы задачи к главе 5 201 глава 6. Оптика 201
- •Вопросы задачи к главе 6 251
- •Раздел III. Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1.Тепловое излучение тел 253
- •Глава 2. Рентгеновское излучение 261
- •Глава 3. Радиоактивность 272
- •Раздел IV. Биофизика 337 глава1 молекулярная биофизика 337
- •Глава 2. Биологические мембраны. 358
- •Введение
- •Раздел I механика. Молекулярная физика. Термодинамика.
- •Глава 1 законы динамики ньютона. Законы сохранения.
- •1.1. Законы ньютона. Основные дифференциальные уравнения движения.
- •Здесь аx , аy , аz - проекции вектора ускорения на оси координат X , y и z;
- •1.4 Физические основы центрифугирования
- •Глава 2. Молекулярно-кинетическая теория газов
- •Примечание 2
- •Глава 3. Применение первого начала термодинамики к процессам в идеальном газе.
- •3.1. Особенности термодинамического метода. Первое начало термодинамики.
- •3.2. Применение первого начала термодинамики к равновесным изопроцессам идеального газа
- •Глава 4. Реальные газы
- •Глава 5. Поверхностное натяжение жидкости
- •5.5 Методы определения коэффициента поверхностного натяжения
- •Глава 6. Вязкость жидкости
- •1. Метод капиллярного вискозиметра (оствальда).
- •2. Метод падающего шарика (стокса)
- •Глава 7 твёрдые и жидкие кристаллы. Стеклообразное состояние вещества. Полимеры.
- •7.1. Фазовые переходы. Плавление, кристаллизация, сублимация.
- •7.2.Кинетические превращения. Стеклование и размягчение
- •7.3. Жидкие кристаллы
- •7.4. Кристаллические модификации твёрдых кристаллов.
- •7.5 Механические свойства твёрдых тел. Закон гука. Упругость и пластичность
- •7.6 Полимеры. Их кристаллическое, стеклообразное, высокоэластическое, вязкотекучее состояние.
- •Глава 8. Процессы переноса
- •8.1. Диффузия
- •8.2. Теплопроводность
- •8.3. Вязкость
- •Раздел II
- •Глава 1. Механические колебания
- •1.3 Смещение, скорость и ускорение гармонически колеблющегося тела
- •1.7. Автоколебания
- •1.8. Сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Теорема фурье. Гармонический спектр сложного колебания
- •Вопросы и задачи к главе 1
- •Глава 2. Механические волны
- •2.1 Механические волны, продольные и поперечные волны
- •2.2. Уравнение и график плоской незатухающей гармонической волны
- •Вопросы и задачи к главе 2
- •Глава 3. Звук
- •3.1. Субъективные (физиологические) характеритики восприятия звука и их связь с объективными, физическими характеристиками звуковой волны
- •3.2 Область слышимости
- •3.3. Закон вебера-фехнера
- •3.4. Уровень интенсивности
- •Вопросы и задачи к главе 3
- •Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук
- •4.1. Физические свойства ультразвука
- •1. Частотный диапазон ультразвука
- •4.4.Источники и приёмники ультразвука
- •1. Пьезоэлектрические излучатели-приёмники
- •2. Магнитострикционные излучатели ультразвука
- •Вопросы и задачи к главе 4
- •Глава 5. Электромагнитные колебания и волны
- •5.1. Некоторые необходимые сведения об основах электричества и магнетизма.
- •Глава 6. Оптика
- •Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика
- •Глава 1. Тепловое излучение тел
- •1.2 Спектр теплового излучения абсолютно чёрного тела.Закон вина. Закон стефана-больцмана.
- •Глава 2. Рентгеновское излучение
- •Глава 3. Радиоактивность
- •Глава 4. Дозиметрия ионизирующих излучений
- •Глава 5. Элементы квантовой механики.
- •5.4. Решение уравнения шрёдингера для частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками
- •Глава 6. Люминесценция
- •Глава 7. Лазер
- •7.1. Вынужденное излучение. Инверсная заселённость. Метастабильные уровни
- •Глава 8. Оптическая спектроскопия. Ик- спектроскопия. Радиоспектроскопия.
- •8.4. Спектры комбинационного рассеяния
- •Раздел IV. Биофизика
- •Глава 1. Молекулярная биофизика
- •1.Ионная связь
- •2.Ковалентная связь
- •3.Межатомное отталкивание
- •4. Донорно- акцепторная связь
- •5. Водородная связь
- •1. Ориентационная связь
- •3. Индукционная связь
- •3. Дисперсионная связь
- •4. Межмолекулярное отталкивание
- •5. Гидрофобные взаимодействия
- •Глава 2. Биологические мембраны
- •2.3. Жидкостно-мозаичная модель биомембран
- •2.4. Модельные липидные мембраны.
- •2.5. Физические свойства мембран и методы их исследования.
- •2.6. Физическое состояние и фазовые переходы фосфолипидного бислоя
- •Глава 3. Термодинамика биологических систем.
- •3.1 Применение первого начала термодинамики к биологическим системам. Прямая и непрямая калориметрия. Энергетический баланс организма.
- •3.2. Применение второго начала термодинамики к живым системам. Уравнение пригожина.
- •3.3 Сопряженные процессы. Сопряженные процессы созидания и разрушения
- •3.4 Стационарное состояние. Теорема пригожина. Аутостабилизация. Адаптация.
- •Глава 4. Транспорт веществ через биологические мембраны.
- •4.1 Пассивный и активный транспорт веществ
- •Глава 5. Биоэлектрические потенциалы
- •5.1Виды биопотенциалов. Их виды: покоя, действия. Природа биопотенциалов
- •5.2. Методы регистрации биопотенциалов. Микроэлектроды.
- •5.3 Биопотенциалы покоя. Уравнение Гольдмана, уравнение Нернста. Роль ионных насосов в создании биопотенциала покоя
- •Глава 6. Биофизика нервого импульса
- •6.1. Потенциал действия и его свойства
- •6.3.Метод фиксации мембранного потенциала. Ионные токи. Ионные каналы
- •Глава 7. Моделирование биофизических процессов
- •7.1 Моделирование биологических процессов. Моделирование физическое, аналоговое, математическое. Основные требования к моделям.
4. Межмолекулярное отталкивание
Сила межмолекулярного отталкивания действует между молекулами на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные оболочки атомов, входящих в состав молекул. Квантовомеханический принцип Паули запрещает проникновение заполненных электронных оболочек друг в друга. Силы отталкивания возрастают с уменьшением расстояния:
а потенциальная энергия взаимодействия отталкивания:
Потенциальная энергия межмолекулярных взаимодействий приближенно описывается формулой Леннарда -Джонса.
(1.8)
ε и σ - константы, определяемые экспериментально.
Как видим , формула содержит два слагаемых. Первое – положительное учитывает межмолекулярное отталкивание, второе – отрицательное - межмолекулярное притяжение.
На рисунке 1.7 представлены зависимости от расстояния между центрами молекул rсил межмолекулярного взаимодействия. Силы отталкивания быстрее возрастают при уменьшенииrи быстрее убывают при увеличенииr, нежели силы притяжения. При малых расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания, а при расстояниях, большихr0,– силы притяжения. При дальнейшем увеличенииrсилы межмолекулярного взаимодействия стремятся к нулю. График зависимости энергии взаимодействия молекул Е от расстояния между молекуламиr– кривая с минимумом в точкеr0 , когда результирующая сила межмолекулярного взаимодействия равна нулю.
Рис. 1.7. Зависимости сил (а) и энергии (б) межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами. 1 – силы межмолекулярного отталкивания, 2- притяжение, 3- равнодействующая этих сил.
5. Гидрофобные взаимодействия
Особо следует выделить так называемые гидрофобные взаимодействия ( рис.1.8) Название неточное! Речь идёт о том, что энергетически выгодно, чтобы гидрофобные (неполярные) части молекул – неполярные «хвосты» заняли положение максимально удаленное от полярных молекул воды. От воды их оттесняют гидрофильные (полярные) участки молекул – полярные «головы», притягивающиеся к полярным молекулам воды (рис.1.8). Гидрофобные взаимодействия создают предпосылки для возникновения ван-дер-ваальсовых взаимодействий между гидрофобными группами молекул. Гидрофобные взаимодействия играют большую роль при образовании биологических структур в водной среде, например, биомембран.
Н2О Гидрофильные(полярные) «головы» Н2О
Гидрофобные(неполярные) «хвосты»
Рис. 1.8. Гидрофобные взаимодействия (объяснения в тексте).
Разным типам связи соответствуют разные потенциальные энергии связи – те энергии, которые надо затратить, чтобы разорвать связь ( см. таблицу 1.2 ).
ТАБЛИЦА 1.2
Потенциальная энергия различных связей
Вид связи |
Энергия связи, эВ |
Ковалентная |
2 – 10 |
Ионная |
1 - 4 |
Водородная |
0,1 – 0,25 |
Гидрофобная |
0,04 – 0,1 |
Ориентационная |
0,01 – 0,05 |
Дисперсионная |
0,04 – 0,1 |
РОЛЬ МЕЖАТОМНЫХ И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СВЯЗЕЙ В СТАБИЛИЗАЦИИ ПЕРВИЧНОЙ, ВТОРИЧНОЙ И ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА
Существующая в природе иерархия типов межатомных и межмолекулярных связей с разными энергиями взаимодействия определяет иерархия структур биополимеров.
Разнообразие связей позволяет:
соединяться между собой разным элементам биомакромолекул, что определяет многообразие их структур,
набор разных по энергиям связей, некоторые из которых разорвать легко, а другие труднее, определяет изменчивость структур, образуемых биомакромолекулами при изменении внешних условий.
В качестве примера приведем роль межатомных и межмолекулярных связей при образовании структур белка ( см. таблицу 1.3).
ТАБЛИЦА 1.3
СТРУКТУРЫ, ОБРАЗУЕМЫЕ БИОМАКРОМОЛЕКУЛАМИ БЕЛКА
Структура |
Рисунок |
Связи, стабилизирующие структуру |
Первичная – полипептидная цепь. |
Ковалентная.
| |
Вторичные: 1)a-спираль 2)b-складчатый слой. |
Ионные, водородные, дисульфидные. | |
Третичные: 1)глобулы, 2)фибриллы. |
|
Гидрофобные, ориентационные, водородные.
|
Четвертичная – агрегаты глобул и b- структур |
Водородные, гидрофобные, ионные.
|
При денатурации белков, например при нагревании, сначала разрываются слабые связи, а затем сильные. Поэтому сначала разрушается четвертичная структура, затем третичная, вторичная и, наконец, (при сильном нагревании) первичная.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 1
На «перекрёстках» каких наук родилась биофизика?
Какое значение биофизики для фармации?
Что определяет высокоэластичность эластомера?
На резиновом жгуте подвешен грузик. Поднимется он или опустится, если резину подогреть?
Охладится или нагреется резина при её быстром растяжении?
Какие физические явления в основе сил притяжения и сил отталкивания атомов и молекул?
Как зависит сила притяжения молекул от расстояния между ними, если энергия взаимодействия молекул обратно пропорциональна расстоянию в шестой степени?
Что определяет многообразие структур биомакромолекул?
Как происходит денатурация белков при их нагревании?
Содержимое сырого яйца текучее. Почему сваренное вкрутую яйцо проявляет некоторую упругость по отношению к изменению формы?