Свободные гармонические колебания:

Согласно 2 закону Ньютона: , но , тогда , но , (W – собственная частота), тогда (дифференциальное уравнение 2 порядка).

Решение: гармонический закон:

Скорость материальной точки: .

Ускорение материальной точки: .

Затухающие колебания:

, где , где r – коэфф. трения

Подставим: или , где , а , где - коэффициент затухания, - собственная частота.

Решение: .

Логарифмический декремент затухания:

За время совершается колебаний.

Вынужденные колебания:

, или , где .

Решение: , где .

Резонанс – явление достижения максимальной амплитуды для заданных собственной частоты и коэффициента затухания.

, а амплитуда: .

Уравнение плоской волны:

Пусть А колеблется по закону: .

Тогда В колеблется с запаздыванием на угол , где , т.е.

.

Энергия волны:

- полная энергия одной частицы. Если частиц N, то , где - эпсилон, V – объём.

Эпсилон – энергия в единице объёма волны – объёмная плотность энергии.

Поток энергии волн равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность, к времени, в течении которого этот перенос осуществлён: , ватт.

Плотность потока энергии – интенсивность волны – поток энергии через единицу площади - величина, равная средней энергии, переносимой волной в единицу времени за единицу площади поперечного сечения.

[Вт/м²]

.

Вектор Умова – вектор I, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн, проходящему через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению: .

Звук. Виды звуков: тоны и шумы. Физические характеристики звука: частота 16 – 20кГц, (звуковое давление), порог слышимости 10^-12 Вт/м², болевой порог 10² Вт/м², скорость звука, акустический спектр. Характеристики слухового ощущения: высота - частота, тембр - спектр, громкость (закон Вебера-Фехнера если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастёт в арифметической прогрессии (на одинаковую величину) , где Е – громкость (измеряется в фонах); - уровень интенсивности (измеряется в белах). 1 бел – изменение уровня интенсивности, которое соответствует изменению интенсивности звука в 10 раз. K – коэффициент пропорциональности, зависит от частоты и интенсивности).

Ультразвук (20 кГц – 20 МГц), пьезоэлектрический эффект, длина волны меньше, Физические процессы: микровибрации, разрушение биомакромолекул, перестройка и повреждение биологических мембран, тепловое действие, разрушение клеток и микроорганизмов, кавитация. В клинике: диагностика (энцефалограф, кардиограф, УЗИ), физиотерапия (800 кГц), ультразвуковой скальпель, фармацевтическая промышленность, остеосинтез, стерилизация.

Инфразвук – волны с частотой меньше 20 Гц. Неблагоприятное действие – резонанс в организме.

Эффект Доплера – изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

1 случай: Н приближается к И.

2 случай: И приближается к Н.

3 случай: приближение и отдаление И и Н друг от друга:

Система: генератор УЗ – приёмник – неподвижна относительно среды. Движется объект. Он принимает УЗ с частотой , отражает её, посылая на приёмник, который получает УЗ волну с частотой . Разница частот – доплеровский сдвиг частоты: . Используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов.

Вязкость. Уравнение Ньютона: , , (скорость, диаметр)

, объёмная скорость по закону Пуазейля , с гидравлическим сопротивлением: , тогда , для поперечного сечения: .

Метод Стокса: движение шарика в жидкости: сила Архимеда , сила тяжести , сила Стокса . .

Метод Оствальда: изогнутая трубка с капилляром: , учитывая сравнение:

Вискозиметрия Гесса: скорости истечения: , , учитывая сравнение:

Коэффициент поверхностного натяжения – величина, численно равная работе по созданию единицы площади свободной поверхности жидкости при постоянной температуре. . Измеряется в Дж/м², Н/м. F – сила пов. нат., l – длина контура.

Зависит от: температуры (с увеличением температуры коэффициент уменьшается) и молекулярного строения жидкости (кпн р-ров меньше, чем р-рителей).

Смачивание: F_ТГ > F_ТЖ, молекула движется вверх, образуется вогнутый мениск, капля растекается по поверхности, cosФ > 0, Ф < 90⁰.

Несмачивание: F_ТГ < F_ТЖ, молекула движется вниз, образуется выпуклый мениск, на твёрдой поверхности собирается в каплю, cosФ < 0, Ф > 90⁰.

Под искривлённой поверхностью – добавочное давление – давление Лапласа:

,где R- радиус трубки,r – радиус мениска. В капиллярах:

Метод Ребиндера – основан на измерении давления Лапласа. Установка: аспиратор, пробирка с жидкостью, капиллярная трубка, стеклянная трубка, манометр.

Расчётная формула: , .

Метод отрыва капли – основан на измерении сил пов. нат., действующих на жидкость при её истечении из капилляра. Установка: капельница (стеклянная трубка с узким нижним концом и краном, жидкость заливается) или сталагмометр (капиллярная трубка с шарообразным расширением, жидкость засасывается).

Расчётная формула:

Электрическое поле – материальная среда, через которую происходит взаимодействие электрических зарядов. Характеристики: напряжённость (), работа по перемещению заряда: ,

Потенциал: , разность потенциалов:

Электроёмкость: Перенос малого заряда , напряжение измениться на , совершится работа . Так как , а С = const, . Тогда . Интегрируем:

Диполь.

в неоднородном поле:

собственное поле:

Поляризация: электрохимическая, ориентационная, электронная, ионная, микроструктурная

Числовые характеристики степени поляризации:

1. вектор поляризованности . Измеряется в Кл/л

2. относительная диэлектрическая проницаемость раз

3. Дисперсия – зависимость от частоты.

Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.

Уравнение электромагнитной волны:

Волна поперечная, скорость , все свойства волн, объёмная плотность энергии , вектор Умова-Пойнтинга (плотность потока энергии)

Шкала ЭМВ:

1. Низкочастотные колебания. 0 – 10⁴ Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются

2. Радиоволны. 10⁴ – 10¹³ Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.

3. Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.

4. Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм

5. Ультрафиолетовое излучение. 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.

6. Рентгеновское излучение. 80 – 10^-5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.

7. Гамма-излучение. Возникает при распаде ядер атомов.

Классификация частотных отрезков:

1. Низкие частоты до 20 Гц

2. Звуковые частоты 20 Гц – 20 кГц

3. Ультразвуковые частоты 20кГц – 200кГц

4. Высокие частоты 200 к Гц – 30 МГц

5. Ультравысокие частоты 30 МГц – 300 МГц

6. Сверхвысокие частоты 300 МГц – 300ГГц

7. Крайневысокие частоты – свыше 300 ГГц

Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.

Идеальный колебательный контур:

Напряжение на конденсаторе: .

Сила тока в контуре: .

Период свободных колебаний в контуре:

Энергия электрического поля конденсатора:

Энергия магнитного поля катушки:

Реальный колебательный контур:

Апериодические процессы в RC цепочке.

Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.

Переходный процесс – процесс, возникающий в электрических цепях при переходе от одного режима работы к другому. Оценивается временем (), в течение которого параметр, характеризующий переходный процесс изменится в е раз.

Для контура с конденсатором и резистором: .

Постоянный электрический ток – упорядоченное движение свободных зарядов в веществе или в вакууме. Виды: ток проводимости и конвекционный. Условия: заряды + поле. Сила тока – величина, равная заряду, который проходит через любое поперечное сечение проводника за единицу времени (1 секунду). Сила тока есть производная по времени от заряда, проходящего сквозь некоторое сечение или поверхность.

Плотность тока – векторная характеристика электрического тока, численно равная отношению силы тока сквозь малый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента.

. Вектор плотности тока направлен по касательной к - линиям тока.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока – величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда по всей цепи.

, где E – напряжённость поля сторонних сил.

Закон Ома: . Закон Кирхгоффа:

Ионогальванизация – введение растворов в организм под действием постоянного тока.

Переменный ток – это вынужденные электрические колебания. Сила тока и напряжение изменяются по гармоническому закону:.

Характеристики переменного тока: частота, период, циклическая частота, мгновенные значения, амплитудные значения, эффективные значения, фаза колебаний.

Виды сопротивлений в цепи переменного тока:

Активные сопротивления – сопротивления, на которых происходит необратимый процесс превращения энергии электрического тока в тепловую энергию. Обозначаются: R. Определяется: .

Реактивные сопротивления – сопротивления, на которых происходят обратимые процессы преобразования энергии электрического тока в энергию электрического и магнитного полей. Это сопротивление конденсатора и катушки индуктивности. Обозначается: .

Если в цепи только конденсатор:

1. подаётся напряжение

2. энергия электрического тока превращается в энергию электрического поля конденсатора, а затем наоборот.

3. 

4. 

Если в цепи только катушка индуктивности:

1. подаётся напряжение

2. энергия электрического тока превращается в энергию магнитного поля катушки, а затем наоборот.

3. 

Полная цепь переменного тока содержит все виды сопротивлений: активное, индуктивное и ёмкостное. При последовательном соединении источника активного сопротивления, конденсатора и катушки полное сопротивление цепи переменного тока (импеданс) равно:

Закон Ома: .

Если сопротивление катушки равно сопротивлению конденсатора, то импеданс цепи равен лишь активному сопротивлению. При этом амплитуда силы тока становится максимальной, наступает явления резонанса.

Резонанс – это резкое увеличение амплитуды колебаний. Условие резонанса – частота вынужденных колебаний равна частоте собственных колебаний.

При резонансе фазы колебаний силы тока и напряжения одинаковы.

Реография – измерение сопротивлений тканей организма переменному току. Диагностический метод.

Свет:

Закон Малюса: изменение интенсивности поляризованного света при повторном попадании на поляризатор:

Закон Брюстера: если отражённый и преломлённый лучи, то отражённый полностью поляризован (перпендикулярно - точки), а преломлённый – максимально возможно. Условие:

Закон Био (для оптически активных веществ): , где коэффициент – удельное вращение. закон используется в поляриметрах. Поляриметр: объектив, светофильтр, николь, колба, кварцевый клин, бикварцевая пластинка, николь, окуляр.

Тепловое излучение.

Потоки энергии: . Разделим на Ф₀. Получим коэффициенты (альфа – поглощения, тау – пропускания, ро - отражения). При определённой длине волны, они – монохроматические.

Закон поглощения Бугера: . Вывод из . К – монохроматический показатель поглощения. Есть молярный показатель поглощения: . С учётом этого, объединённый закон Ламберта-Бугера-Бера: .

Оптическая плотность растворов – десятичный логарифм тау в минус первой степени. Тау – отношение интенсивности к начальной интенсивности. Зависимость оптической плотности или молярного коэффициента от длины волны – спектр поглощения. Оптическую плотность определяют в спектрофотомере.

Характеристики теплового излучения:

поток излучения , энергетическая светимость , спектральная плотность энергетической светимости , Вт/м³.

Абсолютно чёрное тело – коэффициент поглощения равен 1 и не зависит от длины волны и температуры. Если меньше единицы – абсолютно серое тело.

Закон Кирхгоффа: - при неизменной температуре и длине волны, отношение спектральной плотности энергетический светимости к коэффициенту поглощения есть величина постоянная для всех тел и равная спектрально плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела.

Закон Стефана-Больцмана:

Закон смещения Вина: - длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела, обратно пропорционален температуре этого тела.

Излучение Солнца – солнечная постоянная 1350 Вт на 1 м².

Тепловое излучение тела человека – длина волны 4-50 мкм, при температуре в 32 градуса.

Рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, которое на шкале ЭМВ расположено между ультрафиолетовыми и гамма-лучами.

Виды: тормозное и характеристическое.

Для тормозного излучении граница спектра:

Закон Мозли для характеристического излучения: , где А и В – постоянные, учитывающие взаимное расположение электронных слоёв и влияние ближних к ядру электронов.

Когерентное рассеивание – изменение направления пучка излучения с рассеиванием по всем направлениям. Энергия фотонов не изменяется. Энергия атомов вещества не изменяется, так как нет непосредственного биологического эффекта. Характерно для мягкого рентгеновского излучения, при котором энергия фотонов меньше энергии ионизации (разница и есть – работа выхода).

Фотоэффект – происходит поглощение рентгеновского фотона атомом вещества с

а) выбиванием одного из внешних валентных электронов ()

б) при меньшей энергии возбуждённого атома – внутреннего.

Уравнение Эйнштейна: , где

Некогерентное рассеивание – рассеивание с изменением длины волны. Рентгеновский фотон меняет направление при столкновении. Фотон выбивает из атома электрон. Энергия фотона уменьшается, но излучение остаётся. Частота излучения уменьшается, а длина волны возрастает.

Увеличение длины волны при некогерентном рассеивании рентгеновского излучения – эффект Комптона.

Для жёсткого излучения:

В общем случае:

Радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер с образованием новых дочерних ядер и различных излучений.

основной закон радиоактивного распада:

, Окончательный вид: .

Постоянная распада - . Пусть t – время релаксации, т.е. среднее время жизни изотопа. За это время по определению число ядер уменьшится в e раз.

Период полураспада () – время, за которое распадётся половина от исходного количества ядер. Связь между постоянной распада и периодом полураспада:

Активность (А) – скорость распада, т.е. число ядер, распадающихся в единицу времени.

Внесистемные ед.: 1 Рд = 10⁶ Бк (резерфорд); 1 Ки = 3,7 ^. 10¹⁰ Бк (кюри).

Удельная массовая и объёмная активности.

Альфа-распад – превращение ядра одного элемента в ядро другого элемента с испусканием альфа-частицы. Х – материнское ядро, У – дочернее ядро.

Дочернее ядро может образовываться в возбуждённой системе, затем энергия возбуждения высвечивается в виде гамма-фотонов.

Бэтта-распад – внутриядерное взаимное превращение нейтрона и протона с возможностью возникновения гамма-излучения.

Электронный распад – в ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино.

Дочернее ядро имеет ту же массу, но на 1 э.е. больше заряд.

Позитронный распад – в ядре происходит превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.

Дочернее ядро имеет ту же массу, но на 1 э.е. меньше заряд.

Электронный захват – ядро захватывает электрон с одной из внутренних орбит атома.

Вакансия во внутреннем слое сразу заполняется электроном из более удалённого слоя, возникает характерное рентгеновское излучение. Масса ядра не изменяется, а заряд уменьшается на 1 э.е..

Образование электрон-позитронных пар: в электронном поле атом ядра (гамма-фотон) превращается в пару электрон-позитрон, которые разлетаются в разные стороны. Это превращение происходит с выполнением закона сохранения энергии и импульса.

Реакция возможна, если энергия гамма-фотона не меньше суммарной энергии покоя членов пары.

Роль ядра – принятие части импульсов фотонов.

Обратный процесс – анимляция.

Линейная плотность ионизации – удельная ионизация.

Линейная плотность ионизации численно равна числу пар ионов, образованных частицей на единице пути в веществе.

Линейная тормозящая способность – удельная ионизация потери.

Линейная тормозящая способность – энергия, теряемая частицей на единице пути в веществе.

Средний линейный пробег – средняя длина свободного пробега. Обозначается R. Это расстояние, пройденное частицей со скоростью, большей скорости молекулярно-теплового движения.

Чем больше линейная плотность ионизации, тем больше линейная тормозящая способность и тем меньше средний линейный пробег.

1. 

2. 

3. 

Ослабление ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом.

Ионизирующее излучение ослабевает тем больше, чем больше толщина пройденного слоя вещества и чем больше сам поток.

, где - уменьшение потока; - толщина.

, где Ф₀ – падающий поток. Так как Ф > 0:

Потенцируем: - закон ослабления:

Поток ионизирующего излучения при прохождении вещества уменьшается по экспоненциальному закону: .

- линейный коэффициент ослабления. При

- массовый коэффициент ослабления, не зависящий от плотности.

- слой половинного ослабления – толщина слоя вещества, при которой поток излучения ослабляется вдвое.

Чем больше линейный коэффициент ослабления, тем меньше слой половинного ослабления.

Дозиметрия – наука, изучающая величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Доза излучения или поглощённая доза (для любого ионизирующего излучения) – энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества.

[Рад] – внесистемная единица измерения,

Мощность поглощённой дозы:

Экспозиционная доза – для фотоновых излучений (рентгеновского и гамма-) – заряд, созданный при ионизации фотоновским излучением единичной массы воздуха – мера ионизации воздуха рентгеновскими и гамма- лучами.

Мощность экспозиционной дозы:

Связь доз:

, где - зависимость от облучаемого вещества и энергии фотонов.

Для воды и мягких тканей ; для костной ткани уменьшается с ростом энергии фотонов, и составляет 4,5 – 1.

Связь между активностью препарата – источника -фотонов и мощностью экспозиционной дозы:

, где А – активность препарата; r – расстояние от препарата до облучаемого объекта; - гамма – постоянная характеристика для ядра данного изотопа.

Эквивалентная доза – характеризует биологическое действие данного вида ионизирующего излучения.

Поглощённая доза характеризует количественный аспект взаимодействий. Биологическое действие излучения тем больше, чем больше его поглощённая доза.

К – характеризует качественный аспект взаимодействия: при одной и той же поглощённой дозе воздействие разных излучений различно.

К – коэффициент качества – относительная биологическая эффективность (ОБЭ) – безразмерная величина.

ОБЭ показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем у фотоновского при одинаковой дозе излучения в тканях. ОБЭ зависит от вида излучения и от энергии его частиц.

Приблизительно, для фотоновского и излучений . Для излучения .

Радиоактивный фон соответствует эквивалентной дозе в 125 мБЭР. Предельно допустимая эквивалентная доза при профессиональном облучении составляет 5 БЭР в течение года. Минимальная летальная доза гамма – излучения при облучении всего организма около 600 БЭР.

Применение ИИ в медицине: диагностика (рентгенография, рентгеноскопия, синхротронное излучение, Сцинтиграфия, ионная радиография) + лучевая терапия (рентгенотерапия и радиационная терапия).

Рентгенодиагностика – просвечивание внутренних органов рентгеновскими лучами. Основа рентгенодиагностики заключается в том, что поглощаемость рентгеновских лучей различными тканями организма различна.

Для диагностики используются такие фотоны, что взаимодействие идёт через фотоэффект, т.е. . Интенсивность невелика.

При рентгеноскопии происходит люминесценция в рентгеновских лучах.

При рентгенографии изображение получают на фотоплёнке.

Рентгеновская томография (сканирование) – послойная запись рентгеновского изображения участков тела за счёт последовательного изменения положения рентгеновской трубки.

Синхротронное излучение – смесь мягкого рентгеновского излучения и ультрафиолета. Основа действия синхротронным излучением заключается в том, что оно селективно поглощается некоторыми элементами (Н; Y₂), содержание которых в патологически изменённых тканях повышено. Таким образом, можно судить о патологии. Применяется для ранней диагностики злокачественных опухолей.

Радиодиагностика – метод меченых атомов. Основа радиодиагностики заключается в существовании стабильного и радиоактивного изотопов.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу, т.е. разное количество нейтронов.

Радиоактивные изотопы могут избирательно накапливаться в определённых тканях и органах. Например, у человека йод накапливается в щитовидной железе, калий – в нервной и мышечной тканях, уран и стронций – в костях. Продукты их радиоактивного распада фиксируются детекторами.

По распространению и скорости накопления радиоактивных изотопов судят о состоянии тканей и органов.

Сцинтиграфия – методика введения в организм и исследования некоторых изотопов. Количество вводимых изотопов мало.

Ионная радиография – регистрация потока -частиц и протонов, разогнанных в ускорителе, до и после прохождения объекта. В результате возможно различить структуры разной плотности. Этот метод родственный методу рентгенографии, однако он позволяет лучше различать структуру мягких тканей.

При действии на вещество ионизирующее излучение ионизирует его, в нём происходит образование высоко активированных продуктов, что ведёт к разрушению тканей.

В основном рентгенотерапия применяется для удаления злокачественных опухолей, расположенных глубоко. Наружные ткани не повреждаются (повреждаются в меньшей степени).

Альфа-терапия – введение альфа-частиц внутрь организма. Например, радоновая терапия – лечение минеральными волами, содержащими радиоактивные изотопы радона и его дочерние продукты. В данном случае воздействие может быть различным: на кожу (ванны), на органы пищеварения (питьё), на органы дыхания (ингаляции).

Возможно также введение лекарственного препарата непосредственно внутрь органа, и образование там альфа-частиц при облучении нейтронами.

Электроны и протоны разгоняются в специальных ускорителях и повреждают ткани глубинных опухолей.

1 закон термодинамики в замкнутой системе:

1 закон термодинамики в изолированной системе:

1 закон термодинамики в открытой системе:

2 закон термодинамики:

Физический смысл энтропии – формула Больцмана: , где

Свободная энергия – энергия Гельмгольца.

Термодинамический потенциал - энергия Гиббса.

Энтальпия. .

Свободная энергия и термодинамический потенциал убывают в ходе необратимых процессов и достигают минимума в состоянии термодинамического равновесия. Они характеризуют способность системы совершать работу.

Если V и T постоянны, то (изменение свободной энергии системы в обратимых процессах при условии постоянства температуры и объёма равно полезной работе).

Физический смысл свободной энергии: это та часть (U - TS) внутренней энергии системы, которая может быть использована на совершение работы.

TS – связанная энергия – она может только рассеиваться в тепло. Она тем больше, чем больше энтропия.

Изменение термодинамического потенциала = полезной работе для обратимых процессов при условии постоянства давления и температуры.

Энергия Гельмгольца – изохорно-изотермический потенциал

Энергия Гиббса – изобарно-изотермический потенциал

Основной постулат неравновесной термодинамики: .

Согласно 2 закону термодинамики: .

Термодинамическое равновесие	Стационарное состояние
Изолированная система Энтропия не меняется, не продуцируется Термод пар не меняются, экстремальны Система деградирована Идут только обратимые процессы (пр=обр) Градиенты отсутствуют	Открытая система Энтропия не меняется, продуцируется Термод пар не меняются, не экстремальны Система не деградирована Разность скоростей постоянна Существуют градиенты

Излучение и поглощение энергии:

Каждому энергетическому уровню соответствует определённое стационарное состояние частицы. В стационарном состоянии частицы её энергия не меняется. При переходе из одного стационарного состояния в другое (в системе энергетических уровней) её энергия изменяется на строго определённую величину – квант:

, где - постоянная Планка (универсальная постоянная излучения).

С моментами связаны квантовые числа. Их также четыре:

1. Главное квантовое число: n = 1, 2, 3,… (числа натурального ряда). Характеризует местонахождение электрона в атоме, его удалённость от ядра. В модели Резерфорда-Бора определяет радиусы круговых орбит вращения электронов вокруг ядра. Радиусы должны удовлетворять условию квантования (орбитальный момент импульса электрона кратен постоянной Планка):

, где

m – масса электрона,

v_n – скорость электрона на данной орбите,

r_n – радиус орбиты.

Чем больше n, тем дальше от ядра орбита, больше скорость и энергия электрона на этой орбите и энергия атома в целом.

Боровская модель атома – удобное приближение, однако на самом деле невозможно точно указать одновременно энергию электрона и его местонахождение.

Электронная орбита – лишь наиболее вероятная область локализации электрона в атоме.

Совокупность всех электронов с одинаковым квантовым числом n – электронный слой. Изменение n – переход из одного электронного слоя в другой.

2. Орбитальное квантовое число: l = 0, 1, 2, …, n-1 (целые числа от нуля до «n-1»). В рамках Боровской модели характеризует форму электронной орбиты.

3. Магнитное квантовое число: m_l = 0, 1, 2, … n. Характеризует пространственное расположение орбиты, определяет проекцию орбитального магнитного момента электрона на вектор напряжённости внешнего магнитного поля.

4. Спиновое квантовое число: m_s = ½. Определяет проекцию спинового магнитного момента электрона на вектор напряжённости внешнего магнитного поля.

Кванты уменьшаются в ряду: Е_эл → Е_кол → Е_вр.

Виды стационарных состояний: основное, возбуждённое, синглетное, триплетное.

Способы безизлучательного перехода:

1. Растрата энергии в виде тепла: А^* → А₀ + тепло. Так растрачивается энергия высших возбуждённых уровней.

2. Вступление возбуждённой молекулы в химическую реакцию – фотобиологический процесс: А^* → продукты.

3. Передача энергии возбуждения окружающим молекулам: А^* + В → А + В^*.

Излучательный переход – это переход с высвечиванием квантов излучения – люминесценция:

А^* → А₀ +

Виды люминесценции:

1. Спонтанная (самопроизвольная)

2. Вынужденная (индуцированная)

В зависимости от способа предварительного возбуждения молекулы:

1. Фотолюминесценция (светом)

2. Электролюминесценция (электрическим полем или током)

3. Хемилюминесценция (в результате химической реакции)

По механизму излучения:

1. Флуоресценция

2. Фосфоресценция

Флуоресценция – испускание кванта излучения при переходе с первого синглетного возбуждённого уровня на основной (чрезвычайно малая длительность 10^-9 – 10^-6 с):

Фосфоресценция (послесвечение) – испускание фотона при переходе с триплетного возбуждённого уровня на основной (затухает 10^-3 – 10 с):

У каждого вещества – характерная система энергетических уровней, поэтому излучения разных длин волн испускаются и поглощаются по-разному. Следовательно, спектральный состав испускаемого и поглощаемого излучения – важнейшая характеристика вещества.

Спектр поглощения – зависимость оптической плотности образца от длины волны падающего света: .

Спектр люминесценции – зависимость интенсивности люминесценции от длины волны люминесценции: .

Так как часть энергии высших возбуждённых уровней растрачивается в виде тепла, кванты люминесценции меньше поглощённых квантов. Соответственно, длина волны люминесценции больше длины волны поглощённого излучения. Так как триплетный уровень расположен ниже синглетного, кванты фосфоресценции меньше квантов флуоресценции, а длина волны фосфоресценции больше длины волны флуоресценции. Поэтому для спонтанной люминесценции справедливо правило Стокса: спектры флуоресценции и фосфоресценции сдвинуты в сторону больших длин волн относительно спектра поглощения того же вещества.

Интенсивность люминесценции зависит также от длины волны падающего (возбуждающего люминесценцию) света. Отношение интенсивности люминесценции к интенсивности падающего света - относительная интенсивность люминесценции.

Спектр возбуждения люминесценции – зависимость относительной интенсивности люминесценции от длины волны возбуждающего света:

Лазеры – оптические квантовые генераторы, в основе работы которых лежит явление вынужденной люминесценции.

Спонтанная люминесценция – излучение, возникающее после возбуждения молекулы самопроизвольно.

Вынужденная люминесценция – излучение, возникающее при взаимодействии с возбуждённой частицей нового фотона.

В результате вынужденного квантового перехода от частицы в одном и том же направлении распространяются два одинаковых фотона – первичный (вынуждающий) и вторичный (вновь испущенный). При их встрече с возбуждённой частицей образуется уже 4 одинаковых фотона, далее 8, 16 и т.д., т.е. световой поток лавинообразно нарастает. Таким образом, происходит усиление света при его прохождении через систему. По аналогии с электронными устройствами такого рода, система называется «Оптический квантовый усилитель».

Условия реализации такого усилителя на практике:

1. Инверсная (противоположная нормальной) заселённость энергетических уровней.

2. Метастабильное возбуждённое состояние.

Процесс возбуждения вещества с целью создания инверсии населённостей – накачка. Она может быть оптическая, электрическая, химическая.

Для превращения процесса усиления в процесс генерации в систему вводится положительная обратная связь.

В лазерах ПОС осуществляется с помощью оптического резонатора, представляющего собой два зеркала (сплошное и полупрозрачное) я ячейку с активным веществом между ними. Фотоны, испускаемее при индуцированных квантовых переходах в активном веществе многократно отражаются от зеркал. При этом удлиняется их путь в активном веществе, возрастет число встреч с возбуждёнными частицами, и интенсивность излучения увеличивается.

Виды лазеров:

1. Различные по используемому активному веществу

   1. твердотельные (рубиновый)

   2. жидкостный

   3. газовые (гелий-неоновые)

   4. полупроводниковые

2. Различные по режиму работы

   1. стационарный

   2. импульсный свободной генерации

   3. гигантских импульсов

3. Различные по характеристикам излучения – мощности, длительности, длине волны, коэффициенту полезного действия.

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии накачки непосредственно преобразуется в энергию лазерного излучения. Из названных лазеров наибольший КПД имеют полупроводниковые.

Свойства лазерного излучения:

1. Монохроматичность.

2. Когерентность.

3. Строгая направленность.

4. Большая мощность.

Свободные радикалы – молекула или её часть (атом, ион), обладающие неспаренными электронами. Если частица имеет 1 электрон - монорадикал (Н^*, ОН^*). Если частица имеет 2 электрона – бирадикал (О^** + все триплетно возбуждённые молекулы).

Свободный радикал может быть нейтральным и заряженным (ион-радикал), например (^*RH)⁺.

Виды: гидроксильный, гидроперекисный, радикалы липидов.

Свойства свободных радикалов:

1. Высокая реакционная способность (наличие неспаренного электрона – наличие свободной валентности).

2. Парамагнетизм (относительная магнитная проницаемость , магнитный момент не равен нулю).

Хемилюминесценция сопровождает некоторые экзергонические химические реакции. В организме – реакция рекомбинации перекисных липидных радикалов:

^*RO₂ + ^*RO₂ → продукты^* → продукты + hv.

Плюсы: метод очень чувствителен (до 10^-14 моль свободных радикалов).

Минусы: определяются радикалы только одного типа.

Спектроскопия магнитного резонанса:

1. ЭПР – электронный парамагнитный резонанс

2. ЯМР – ядерный магнитный резонанс

В основе методов лежит расщепление энергетических уровней частиц в постоянном магнитном поле. Причина во взаимодействии с полем магнитных моментов неспаренных электронов (ЭПР) и ядер (ЯМР). Спектры ЯМР можно получить в разных классах магнетиков. А необходимым условием ЭПР является парамагнетизм, что характерно для свободных радикалов.

В отсутствии поля магнитные моменты отдельных частиц ориентированы хаотически. В магнитном поле они могут быть сориентированы двумя способами. Их магнитные моменты могут быть направлены по полю и против поля. В первом случае энергия частицы меньше по сравнению с хаотическим расположением векторов; а во втором случае – больше. Большинство частиц окажется расположенными по полю.

В результате образуется дополнительная система подуровней. Разность энергий подуровней соответствует величине квантов СВЧ-диапазона.

Большая часть частиц сориентированы по полю, т.е. находятся на нижнем уровне. При дополнительном воздействии электромагнитным излучением СВЧ-диапазона произойдёт поглощение квантов излучения с энергией hv = E₂ – E₁. В системе произойдёт переход с нижнего уровня на верхний. Этот переход регистрируется как сигнал магнитного резонанса.

Зарегистрирован будет спектр магнитного резонанса – графическая зависимость от длины волны:

1. Мощности действующего на вещество излучения

2. Поглощённой веществом энергии

Спектры ЭПР позволяют судить о количестве свободных радикалов, а также позволяют проводить их идентификацию.

Мера количества поглощённых радикалов – площадь под кривой поглощения.

Качественный анализ для идентификации производится по следующим параметрам спектра ЭПР:

1. ширина полосы поглощения

2. положение полосы в спектре

3. наличие у спектра тонкой и сверхтонкой структур.

Фотобиологические процессы – все процессы в биологических системах, происходящие при поглощении энергии света и приводящие к изменению структуры и функций этих систем.

Фотофизика – поглощение молекулой кванта света, переход её в возбуждённое состояние.

Фотохимия – вступление возбуждённой молекулы в химические реакции, приводящие (через ряд промежуточных стадий) к образованию устойчивых соединений (т.е. это безизлучательный переход из возбуждённого состояния в основное путём вступления в химические реакции).

Молекулярный механизм первичных стадий:

Фотофизика: RH + hv → RH^* (S или Т - возбуждение)

Фотохимия: RH^* → (R^*H)⁺ + e^- (R^*H)⁺ → R^* + H⁺ R^* + O₂ → ROO

(фотоионизация и образование свободных радикалов)

Эффективность преобразования поглощённой световой энергии в первичной фотохимической реакции оценивается её квантовым выходом:

Обычно квантовый выход значительно меньше единицы, так как часть поглощённых квантов растрачивается в тепло или идёт на люминесценцию.

Спектр действия фотохимической реакции – зависимость относительной скорости реакции от длины волны действующего света:

Сравнение спектров действия со спектрами поглощения позволяет выяснить, какие вещества участвуют в реакции.

Выделяют три группы фотобиологических процессов:

1. Фотосинтетические – создание новой, обычно более сложной структуры. Примеры – фотосинтез растений, образование витамина Д из провитамина и синтез пигмента меланина у животных.

2. Процессы фоторецепции – получение информации об окружающей среде через посредство светового излучения. Пример – зрение позвоночных.

3. Фотодеструктивные – поражение, разрушение структуры (под влиянием больших порций световой структуры).

Фотобиологические процессы, протекающие с участием веществ, резко повышающих чувствительность системы к свету – сенсибилизированные фотобиологические процессы. Вещества, повышающие чувствительность системы к свету – фотосенсибилизаторы.

Классификация фотосенсибилизаторов:

1. По происхождению:

   1. Экзогенные (вводятся в организм извне)

   2. Эндогенные

2. По механизму действия:

   1. Вещества, сами химически изменяющиеся под влиянием света. Их действие не зависит от присутствия кислорода. Пример – псоралены (фототерапия конных болезней), ПУФА (PUVA) (воздействие ведёт к излечиванию псориаза).

   2. Соединения, которые под действием света сами химически не изменяются, фотодинамический эффект, Фотодинамическая терапия применяется в онкологии: в кровь вводят производные гематопорфирина.