Dodelanny_kollokvium_po_fizike
.pdf
Аннигиляция — реакция превращения частицы и античастицы в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Является примером Англия – Электрон – позитронная пара ( е- + е+) = 2 гамма
Дает два фотона при низких энергиях, сталкивающихся е- и е+. При энергиях порядка сотен МЭВ, в процессе аннигиляции е- и е+ пары рождаются адроны.
18. Из теории Максвела вытекает, что различные ЭМ – волны имеют общую природу. В связи с этим все Эм – волны целесообразно представить на единой шкале. Вся шкала условно подразделена на 6 диапазонов: 1) радиоволны, 2) инфракрасные, 3) видимые, 4) УФ, 5) рентгеновские, 6) гамма излучение
Свойства ЭМ – волн в различных диапазонах:
РВ – нагрев ткани (токи проводимости), ИК – возрастает количество колебаний следовательно происходит нагрев ткани, В- видим свет , УФ – фотобиологически процессы(фотосинтез), R и гамма – когерентное, некогерентное рассеяние. Гамма – рождение пары ( е- + е+)
19 Физические поля, которые генерирует организм в процессе функционирования, называют собственными физическими полями организма человека.
Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля.
Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования.
Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и γ-кванты - не зарегистрировано.
В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля, представленные на рис.12.1, включают в себя:
1)низкочастотное электрическое (Е)
2)магнитное (В) поле (частоты ниже 103 Гц);
3)радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109 - 1010 Гц и длина волны вне тела 3-60 см);
4)инфракрасное (ИК) излучение (частота 1014 Гц, длина волны 3-10 мкм);
5)оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).
Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими возможностями современной электроники, а особенностями биологических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины.
1. Низкочастотное электрическое поле. Источниками в организме является электрогенез в клетках и органах. Основная характеристика-напряженность
электрического поля Е=¿ F\q, это отношение силы F, действующей на заряд q, помещенный в данную точку поля. Измеряется в Н\Кл или в системе СИ -В/м.
2 Низкочастотное магнитное поле (частоты ниже 103 Гц). Источниками магнитного поля являются движущиеся заряды: Трансмембранные потоки ионов, движение фронта автоволн в организме. Основная характеристикавектор индукции магнитного поля В. Значение В определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся заряд. В системе СИ изме ряется в теслах (Тл).
3. Электромагнитное излучение в сверхвысоком частотном (СВЧ) диапазоне. Это излучение относится к радиоволнам. Частоты 109−1010 Гц и длина волны вне тела 3-
60 см. Источниктепловое излучение тела.
4. Электромагнитное излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне. Характерная частота этого излучение 1014 Гц, длина волны 3-10 мкм. Источником этих излучений является
тепловое излучение тела человека. Основная характеристика - энергетическая светимость - Вт/м2.
5. Электромагнитное излучение в оптическом диапазоне (частота 1015 Гц, длина
волны порядка 0,5 мкм). Источником этого излучения является биохемилюминесценция отдельных областей некоторых органов.
Хемилюминесценция – излучение тел в видимом диапазоне при протекании химической реакции. Основывается данный эффект на том, что в результате некоторых химических взаимодействий может выделяться энергия, причем выделяется она в виде света.
1) Электрическое поле человека существует на поверхности тела (измеряется контактными методами) и снаружи, вне его (измеряется бесконтактно).
Методы измерения характеристик электрического поля на поверхности тела в настоящее время находят наибольшее применение в медицине. Эти методы являются основными в электрокардиографии и электроэнцефалографии.
ЭКГ (электрокардиограмма) - это графическое отображение (на бумаге или мониторе) электрических потенциалов, возникающих во время сокращений сердца. ЭКГ является наиболее распространенным, массовым, недорогим, доступным исследованием, позволяющим получить много информации о состоянии сердца.
ЭЭГ (электроэнцефалограмма) - это график изменения разности потенциалов, генерируемых мозгом между различными участками (Точками съема) поверхности головы человека во времени.
В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга (активность мозга), с использованием потенциалов от 16 до 32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких миллисекунд.
2) Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Источник магнитного поля тот же, что и электрического - движение фронта автоволн в миокарде.
Магнитокардиограмма (мкг) - кривая, отражающая изменения во времени магнитной составляющей электромагнитного поля сердца при его работе. Магнитоэнцефалография (МЭГ) — технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Для детекции полей используются высокоточные сверхпроводниковые квантовые интерферометры, или СКВИД-датчики. МЭГ применяется в исследованиях работы мозга и в медицине. СКВИД-датчики- сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей.
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля. В ИК и СВЧ диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение человека. (характеристики выше).
Наиболее яркую информацию о распределении температур и поверхности тела человека и ее изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, которое видит человеческий глаз, как в телевидении, а его собственное, не видимое глазом, инфракрасное излучение. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне длин волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и ЭВМ для обработки изображения. Тепловое излучение от разных участков тела последовательно, с помощью колеблющихся зеркал, проецируют на один приемник инфракрасного излучения, охлаждаемый жидким азотом. Тепловизоры передают в 1 секунду 16 кадров. Чувствительность тепловизора при измерении одного кадра - порядка 0,1 К, однако ее можно резко увеличить, используя ЭВМ для обработки изображений.
Тепловизорное изображение можно выводить в черно-белом либо цветном формате. Перепады температуры, которые нужно измерять на термограмме, составляют, как правило, доли градуса, в то время как полный сигнал соответствует приблизительно 300 К, т.е. исходное изображение обладает малым контрастом и его необходимо обрабатывать. Без предварительной обработки на ЭВМ полученная картина неинформативна. ЭВМ позволяет делать следующие операции обработки изображения:
1)усреднение;
2)изменение контраста получившихся изображений;
3)раскраску в квазицвет контрастированных изображений.
Усреднением добиваются того, что случайные шумы подавляются, и полезный сигнал становится более четким.
Контрастирование изображения и раскраска в квазицвет дают возможность усилить восприятиевеличины тепловых контрастов. Контрастированием называется уменьшение диапазона измеряемой величины, которому соответствует полный масштаб изменения яркости или цветовой палитры.
Разновидность тепловидения, при которой исследуется временная динамика температурных полей, иногда называют динамическим тепловидением.
20 Э.Х.П. – работа, которую нужно совершить ( т.е. затратить энергию) чтобы перенести 1 моль вещества в электрическое поле вакуума и данной точки в бесконечно удаленную.
Для разбавленных растворов:
где μ0 – химическая постоянная,К - газовая постоянная; Т — абсолютная температура; С
– концентрация ионов; Z — заряд иона, F - число Фарадея — электрический заряд одного моля одновалентных ионов); φ — электрический потенциал.
Плотность потока вещества: количество вещества, переносимого за единицу времени через единицу площади.
поправкабез “m” и это СИ
Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением 1) идет самопроизвольно 2) Без затрата энергии АТФ.
Пример: осмос, простая диффузия, облегченная диффузия, фильтрация Активный транспорт - это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением. Из уравнения нернста планка следует что существует 2 причины переноса вещества: градиент
электрохим. Потенциала и градиент концентрации. 1) Не может идти самопроизвольно. 2) Происходит за счет гидролиза АТФ.
Пример: транспорт с помощью мембранного насоса 21 Диффузия заряженных частиц
Перемещение заряженных частиц в направлении уменьшающейсяих концентрации всл едствие теплового движения этих частиц.
УРАВНЕНИЕ ТЕОРЕЛЛА: где j — плотность потока вещ-ва, u - подвижность частиц; С
— концентрация; dμ / dx - градиент электрохимического потенциала, т.е. величина, показывающая скорость его изменения с расстоянием х. Плотность потока при пассивном транспорте.
Поскольку в диффузии участвуют не только нейтральные вещества, но и ионы разной полярности, разбавленные растворы, Нернст и Планк предложили формулу:
Ф = -uRT (dc/dx) - cuz F (dj/dx)
u = D/RT (называется подвижностью молекул) R - универсальная газовая постоянная;
T - абсолютная температура; с - концентрация вещества; z - валентность;
F - число Фарадея;
(dc/dx), (dj/dx) - градиент концентрации и градиент потенциала (то же, что электрическая напряжённость).
Диффузия незаряженных частиц
Диффузия простых веществ.
ЗАКОН ФИКА: Уравнение описывающее простую диффузию
где j — плотность потока вещ-ва, dС / dx - градиент концентрации, D – коэффициентДиффузии.
Уравнение диффузии через полупроницаемую мембрану (закон Фика для мембраны)
j=−D |
∆ cm |
, |
j=−D |
(C2−C1 )k |
, |
P= |
D k |
=> |
j= p (c1 −c2 ) |
|
|
|
l |
||||||||
∆ x |
l |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
D –коэффициент Диффузии
k- Коэффициент определения мембраны с - концентрация вещества
l- толщена мембраны
p- Коэффициент проницаемости
Функции для клетки:
транспорт с помощью мембранного насоса
Сохранение ионного баланса в кардиомиоцитах обеспечивает К+- Na+ и Са2+-насосы, активно перекачивающие ионы Na+ и Са+ наружу, а ионы K+ - внутрь клетки. Работу
этих насосов обеспечивают ферменты K+- Na+ АТФаза и Са2+-АТФаза, находящиеся в сарколемме миокардиальных клеток.
для закачивания внутрь клетки 2 ионов К и выкачивания наружу 3х ионов Na достаточно энергии распада одной молекулы АТФ.
- для мышечного сокращения необходимо много ионов Са и его необходимо доставлять в каждой из белковых фибрилл. Внутри мышечных клеток имеется разветвленная система полостей и трубочек, образов. Специальной внутр. Мембраной, в которых хранится Са. Вся эта мембрана покрыта кальциевыми.
Осмос
Определяет объем клетки и содержание в ней простых жидких веществ.
Диффузия
Транспорт веществ в клетку без затраты энергии, облегченная диффузия служит для переноса тех молекул, которые клетка получает из окружающей среды.
22 Трансмембранный потенциал - разность электрических потенциалов между наружной и внутренней поверхностями биологической мембраны, обусловленная неодинаковой концентрацией ионов.
МИКРОЭЛЕКТРОДНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ — метод отведения биоэлектрических потенциалов, генерируемых возбудимыми тканями организма животных и человека, при помощи микроэлектродов, которые могут быть погружены в глубь ткани без ее существенного повреждения.
Различают три основных способа микроэлектродной отведения: отведение от группы клеток (фокальное внеклеточное отведение); отведение от отдельной клетки при расположении кончика микроэлектрода возле нее (единичное внеклеточное отведение); отведение от отдельной клетки при расположении кончика микроэлектрода внутри нее (внутриклеточное отведение). Во всех случаях источник электрических потенциалов (в данном случае клетка) расположен в толще ткани, к-рая представляет собой объемный проводник. Тем самым создаются своеобразные условия отведения, отсутствующие при обычной регистрации электрических реакций нерва или мышцы поверхностными электродами.
23 Потенциал покоя - это разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью мембраны в состоянии относительного физиологического покоя. Если концентрация какого-либо иона внутри клетки С отличив от концентрации этого иона снаружи С и мембрана проницала для этого иона, возникает поток заряженных частиц через Мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки, которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану.
Потенциал покоя возникает в результате двух причин:
1)неодинакового распределения ионов по обе стороны мембраны
2)Калий-натриевый насос
В состоянии покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для ионов К+ (в ряде клеток и для СГ), менее проницаема для Na+ и практически непроницаема для внутриклеточных белков и других органических ионов. Ионы К+диффундируют из клетки по концентрационному градиенту, а непроникающие анионы остаются в цитоплазме, обеспечивая появление разности потенциалов через мембрану. Возникающая разность потенциалов препятствует выходу К+ из клетки и при некотором ее значении наступает равновесие между выходом К+ по концентрационному градиенту и входом этих катионов по возникшему электрическому потенциалу. Мембранный потенциал, при котором достигается это равновесие, называется равновесным потенциалом. Его величина может быть рассчитана из уравнения Нернста:
где Ек — равновесный потенциал для К+; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; F — число Фарадея; п — валентность К+ (+1), [Кн+] — [К+вн] — наружная и внутренняя концентрации К+-
ИЛИ
Калий-натриевый насос создает предпосылки для возникновения потенциала покоя. Попытка клетки выравнять концентрацию ионов по калию приводит к потере калия, потере положительных зарядов и порождает электроотрицательность внутри клетки. Эта электроотрицательность составляет большую часть потенциала покоя. Меньшую его часть составляет непосредственная электрогенность ионного насоса, т.е. преобладающие потери натрия при его обмене на калий. С мембраной "работают" сразу 2 потенциала: химический (концентрационный градиент ионов) и электрический (разность электрических потенциалов по разные стороны мембраны). Ионы калия клетки под действием химических сил создаёт львиную долю электрического потенциала (разности потенциалов). Из зоны повышенной концентрации внутри клетки ионы калия выходят в зону пониженной концентрации наружу, вынося заодно положительные электрические заряды. Возникает сильный дефицит положительных зарядов внутри клетки. Ведь именно ионы калия перемещают на наружную сторону мембраны положительные электрические заряды, будучи положительно заряженными частицами.
24
Биопотенциал (биоэлектрический потенциал, устар. биоток) — энергетическая характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в различных областях мозга, в клетках и других структурах. Это волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в виде кратковременного изменения мембранного потенциала на небольшом участке
возбудимой клетки (нейрона или кардиомиоцита), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к внутренней поверхности мембраны, в то время, как в покое она заряжена положительно.
Электрогенез (электро- + греч. genesis зарождение, развитие) — возникновение потенциала действия в объектах живой природы, обусловленное комплексом физикохимических процессов, обеспечивающих поддержание неравномерного распределения ионов внутри живой клетки и на поверхности оболочки или быстрое перемещение ионов через мембрану.
Является источником низкочастотного электрического поля.
И ПОМНИТЕ !