30. Потенциал действия. Изменение проницаемости мембраны для ионов Na и k при генерировании потенциального действия.

31. Потенциал зависимые ионные каналы мембраны для k и Na. Структура, особенности функции. Изменение проницаемости мембраны для k и Na в различные фазы потенциального действия.

Потенциал зависимые натриевые и калиевые каналы, зависят от изменения мембранного потенциала. Na-канал образован гликопротеином с молекулярной массой 250-300 кДа и состоит из нескольких субъединиц, которые формируют в толще мембраны канал, диаметр которого колеблется от 0,3-0,5 нм. Канал имеет селективный фильтр и воротное устройство, которое регулируется сенсором напряжения. Скорее всего, сенсором напряжения служат связанные заряды – группы белковых молекул, обл. большим дипольным моментом. Б. Хилле сделал заключение, что ионы натрия проникают в канал в результате последовательных стадий дегидратации и связывания с помощью водородных связей с компонентами каналов, что и обеспечивает скольжение иона по каналу. Через Na – канал могут проходить различные органические катионы, размеры которого не превышают 0,3 · 0,5 нм. Na – канал открывается для гидроксиламмония и непроницаем для метил аммония (так как вдоль стенок располагаются атомы кислорода и атом водорода OH – группы гидроксиламмоний образует водородную связь, что уменьшает размер молекулы). Энергетический профиль для K – канала: Такой профиль соответствует условиям, когда наиболее медленной стадией транспорта является переход частиц через границу мембраны. Канал все время находится в заполненном двух частичном состоянии. Высокая эффективность ионов – блокаторов с длинной гидрофобной цепью свидетельствует о наличии в устье канала гидрофобных участков. Узкая часть поры (0,26 – 0,3 нм.). непроницаема, как для больших, так и для малых частиц. (небольшой эффект взаимодействия с атомами кислорода, в стенках поры). K – каналы лучше различают ионы, чем Na – каналы.

32. Свойства потенциала действия и его биологическое значение. Распределение нервного импульса по нервному волокну.

Однородное нервное волокно не может проводить электрический сигнал на далёкое расстояние, интенсивность сигнала быстро затухает. λ=√ dR/4ρ, где λ - постоянная длина волны, определяет степень затухания сигнала в аксоне, d - диаметр волокна, R- поверхностное сопротивление мембраны, р - удельное сопротивление аксоплазмы. Локальные токи приводят к тому. что возбуждение не затухает. При увеличении λ степень затухания сигнала уменьшается. Увеличивание постоянной λ можно добиться увеличение диаметра аксона. Локальные токи образуются и внутри аксона и на наружной его поверхности. Аксоны позвоночных имеют миелиновую оболочку, увеличивает толщину мембраны и ее сопротивление. В таком случае возбуждение идет скачкообразно от одного перехвата Ранвье додругого.

33. Нормальная ЭКГ, записанная в стандартных отведениях. Основные зубцы ЭКГ и их происхождение.

Каждая клетка сердечной мышцы создаёт электрическое поле. Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца. Эти изменения достаточны, чтобы создать изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела и чтобы обнаружить указанные изменения на большом расстоянии от их источника.

Графическая запись электрического потенциала, созданного возбуждением клеток сердца, называется электрокардиограммой (ЭКГ). Таким образом, ЭКГ характеризует возбуждение сердца, но не его сокращения. Впервые электрокардиограмма была записана голландским физиологом Эйнтховеном посредством сравнительно простого инструмента струнного гальванометра. В настоящее время для записи ЭКГ используют специальные электронные приборы, называемые электрокардиографами. Амплитуда электрического потенциала записанного с поверхности тела может быть менее 1мВ. Следовательно, перед записью потенциал должен быть усилен с помощью устройства, называемого усилителем. Электрокардиограф включает также высокочастотное сито, не пропускающее медленные изменения электрического потенциала, и калибратор, который генерирует электрические импульсы 1мВ, что необходимо для расчета амплитуды зубцов электрокардиограммы.

Отклонения от нулевой линии называются зубцами ЭКГ и обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S, T. Зубцы могут быть положительными (направленными вверх) или отрицательными. Положительное отклонение комплекса QRS называют R-зубцом. Отрицательные отклонения, предшествующее R-зубцу и следующее за ним, названы соответственно Q и S -зубцами. Отклонения P и T в норме положительны, но могут быть отрицательными при патологических состояниях. Расстояние между двумя отклонениями называется сегментом. Например, сегмент PQ-является расстоянием между концом P-зубца и началом Q-зубца.

Причинами зубцов и сегментов ЭКГ является деполяризация и реполяризация сердечных клеток. Зубец Р отражает деполяризацию предсердий сердца. Их реполяризация совпадает с комплексом QRS и не видна на ЭКГ. Комплекс QRS - T-зубец представляет постепенное распространение деполяризации по желудочкам сердца и их реполяризацию. Сегмент S - T соответствует возбуждению л евых и правых желудочков.

Потенциал действия сердечной клетки и соответствующие изменения электрического поля сердца

34. Понятие об электрокардиографических отведениях. Стандартные, усиленные и грудные электрокардиографические отведения. Требования, предъявляемые к электродам, используемым для регистрации биопотенциалов.

Гальванометр - высокочувствительный прибор для измерения малых постоянных и переменных электрических токов. Шкала может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, других физических величин, или иметь условную, безразмерную градуировку.

Электрокардиограмма — это запись колебаний разности потенциалов, возникающих на поверхности возбудимой ткани или окружающей сердце проводящей среды при распространении волны возбуждения по сердцу. Изменения разности потенциалов на поверхности тела, возникающие во время работы сердца, фиксируют с помощью различных систем отведений ЭКГ. Каждое отведение регистрирует разность потенциалов, существующую между двумя определенными точками электрического поля сердца, в которых установлены электроды. Последние подключаются к гальванометру электрокардиографа: один из электродов присоединяют к положительному полюсу гальванометра (это положительный, или активный, электрод отведения), второй электрод — к его отрицательному полюсу (отрицательный, или индифферентный, электрод отведения).

В настоящее время в клинической практике наиболее широко используют 12 отведений ЭКГ, запись которых является обязательной при каждом электрокардиографическом обследовании больного: 3 стандартных отведения, 3 усиленных однополюсных отведения от конечностей и 6 грудных отведений.

Стандартные отведения

Стандартные двухполюсные отведения, предложенные в 1913 г. Эйнтховеном, фиксируют разность потенциалов между двумя точками электрического поля, удаленными от сердца и расположенными во фронтальной плоскости — на конечностях. Для записи этих отведений электроды накладывают на правой руке (красная маркировка), левой руке (желтая маркировка) и на левой ноге (зеленая маркировка). Эти электроды попарно подключаются к электрокардиографу для регистрации каждого из трех стандартных отведений. Четвертый электрод устанавливается на правую ногу для подключения заземляющего провода (черная маркировка).

Стандартные отведения от конечностей регистрируют при следующем попарном подключении электродов:

I отведение — левая рука (+) и правая рука (–);

II отведение — левая нога (+) и правая рука (–);

III отведение — левая нога (+) и левая рука (–).

Знаками (+) и (—) здесь обозначено соответствующее подключение электродов к положительному или отрицательному полюсам гальванометра, т. е. указаны положительный и отрицательный полюс каждого отведения.

Три стандартных отведения образуют равносторонний треугольник (треугольник Эйнтховена), вершинами которого являются правая рука, левая рука и левая нога с установленными там электродами. В центре равностороннего треугольника Эйнтховена расположен электрический центр сердца, или точечный единый сердечный диполь, одинаково удаленный от всех трех стандартных отведений. Гипотетическая линия, соединяющая два электрода, участвующих в образовании электрокардиографического отведения, называется осью отведения. Осями стандартных отведений являются стороны треугольника Эйнтховена. Перпендикуляры, проведенные из центра сердца, т. е. из места расположения единого сердечного диполя, к оси каждого стандартного отведения, делят каждую ось на две равные части: положительную, обращенную в сторону положительного (активного) электрода (+) отведения, и отрицательную, обращенную к отрицательному электроду (–).

Усиленные отведения от конечностей

Усиленные отведения от конечностей были предложены Гольдбергером в 1942 г. Они регистрируют разность потенциалов между одной из конечностей, на которой установлен активный положительный электрод данного отведения (правая рука, левая рука или левая нога), и средним потенциалом двух других конечностей.

Таким образом, в качестве отрицательного электрода в этих отведениях используют так называемый объединенный электрод Гольдбергера, который образуется при соединении через дополнительное сопротивление двух конечностей. Три усиленных однополюсных отведения от конечностей обозначают следующим образом:

aVR — усиленное отведение от правой руки;

aVL — усиленное отведение от левой руки;

aVF — усиленное отведение от левой ноги.

Обозначение усиленных отведений от конечностей происходит от первых букв английских слов: «a» — augemented (усиленный); «V» — voltage (потенциал); «R» — right (правый); «L» — left (левый); «F» — foot (нога).

Оси усиленных однополюсных отведений от конечностей получают, соединяя электрический центр сердца с местом наложения активного электрода данного отведения, т. е. фактически — с одной из вершин треугольника Эйнтховена. Электрический центр сердца как бы делит оси этих отведений на две равные части: положительную, обращенную к активному электроду, и отрицательную, обращенную к объединенному электроду Гольдбергера.

Грудные отведения

Грудные однополюсные отведения, предложенные Wilson в 1934 г., регистрируют разность потенциалов между активным положительным электродом, установленным в определенных точках на поверхности грудной клетки (рис. 3.34), и отрицательным объединенным электродом Вильсона. Последний образуется при соединении через дополнительные сопротивления трех конечностей (правой руки, левой руки и левой ноги), объединенный потенциал которых близок к нулю (около 0,2 mV).

Обычно для записи ЭКГ используют 6 общепринятых позиций активных электродов на грудной клетке:

• отведение V₁ — в IV межреберье по правому краю грудины;

• отведение V₂ — в IV межреберье по левому краю грудины;

• отведение V₃ — между второй и четвертой позицией (см. ниже), примерно на уровне V ребра по левой парастернальной линии;

• отведение V₄ — в V межреберье по левой срединно-ключичной линии.

• отведение V₅ — на том же горизонтальном уровне, что и V₄, по левой передней подмышечной линии;

• отведение V₆ — по левой средней подмышечной линии на том же горизонтальном уровне, что и электроды отведений V₄ и V₅.

В отличие от стандартных и усиленных отведений от конечностей, грудные отведения регистрируют изменения ЭДС сердца преимущественно в горизонтальной плоскости. Как показано на рис. 3.35, ось каждого грудного отведения образована линией, соединяющей электрический центр сердца с местом расположения активного электрода на грудной клетке. На рисунке видно, что оси отведений V₁ и V₅, а также V₂ и V₆ оказываются приблизительно перпендикулярными друг другу.

Наложение электродов. На внутреннюю поверхность голеней и предплечий в нижней их трети с помощью резиновых лент или специальных пластмассовых зажимов накладывают 4 пластинчатых электрода, а на грудь устанавливают один или несколько (при многоканальной записи) грудных электродов, используя резиновую грушу-присоску или приклеивающиеся одноразовые грудные электроды. Для улучшения контакта электродов с кожей и уменьшения помех и наводных токов в местах наложения электродов необходимо предварительно обезжирить кожу спиртом и покрыть электроды слоем специальной токопроводящей пасты, которая позволяет максимально снизить межэлектродное сопротивление.

При наложении электродов не следует применять марлевые прокладки между электродом и кожей, смоченные раствором 5–10% раствора хлорида натрия, которые обычно в процессе исследования быстро высыхают, что резко увеличивает электрическое сопротивление кожи и возможность появления помех при регистрации ЭКГ.

35. Особенности распространения возбуждения в сердечной мышце. Суммарный вектор ЭДС сердца. Электрическая ось сердца. Определение положения электрической оси сердца по результатам анализа ЭКГ, снятой в стандартных отведениях.

Каждая клетка сердечной мышцы создаёт электрическое поле, которое имеет характеристики, подобные в общих чертах характеристикам электрического поля других типов мышечных клеток. Но потенциал действия (ПД) сердечных клеток отличается от ПД клеток поперечнополосатых мышц своей формой и длительностью. Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца. Эти изменения достаточны, чтобы создать изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела и чтобы обнаружить указанные изменения на большом расстоянии от их источника.

Графическая запись электрического потенциала, созданного возбуждением клеток сердца, называется электрокардиограммой (ЭКГ). Таким образом, ЭКГ характеризует возбуждение сердца, но не его сокращения.

Чтобы понять происхождение электрокардиограммы нужно принять во внимание, что электрическое поле сердца является результатом наложения электрических полей множества сердечных клеток. Мембранный потенциал покоящейся клетки не вызывает появления потенциала в любой точке тела. Клетка, несущая импульс, может быть поделена на две части: покоящуюся и активную. Покоящаяся часть имеет неизменный мембранный потенциал. Активная часть имеет потенциал, равный величине потенциала действия. Переход между двумя частями происходит в какой-либо точке. Каждая из возбужденных сердечных клеток представляет собой диполь, который имеет элементарный дипольный момент определенной величины и направления. В любой момент возбуждения, дипольные моменты отдельных клеток суммируются, формируя суммарный дипольный момент всего сердца. Суммарный дипольный момент сердца является результатом наложения дипольных моментов клеток. Вот почему сердце можно рассматривать как дипольный электрический генератор.

Направление суммарного дипольного момента сердца часто называют электрической осью сердца. Этот дипольный момент определяет величину разности электрических потенциалов, записанную на поверхности тела. Электрический потенциал, измеренный в любой точке, отдалённой от источника, зависит главным образом от величины суммарного дипольного момента сердца и угла между его направлением и осью отведения ЭКГ.

Одной из значимых проблем в электрокардиографии является определение направления электрической оси сердца. Его определяют, измеряя амплитуду (напряжение) отклонений ЭКГ в стандартных отведениях Эйнтховена. Стандартные отведения дают возможность изучать проекции электрической оси сердца на фронтальную плоскость.

Чтобы определить направление электрической оси сердца необходимо ввести некоторые упрощения:

-пренебречь электрическим сопротивлением конечностей;

-рассматривать треугольник Эйнтховена как равносторонний;

-считать, что сердце расположено в центре равностороннего треугольника.

Амплитуда (напряжение) каждого отклонения ЭКГ равна суммарному дипольному моменту сердца, умноженному на косинус угла между электрической осью сердца и осью соответствующего отведения (3). Эти амплитуды можно также определить как проекции суммарного дипольного момента сердца на соответствующие оси отведений, которые являются сторонами треугольника Эйнтховена.

Направление электрической оси сердца не является постоянным, но изменяется в каждый момент времени. Его удобно определять для комплекса QRS. Для этого необходимо измерить амплитуду отклонений Q, R и S в I и III стандартных отведениях и вычислить алгебраическую сумму величин положительного и отрицательного отклонений. Полученные разности отложить в произвольном масштабе на соответствующих сторонах треугольника Эйтховена, начиная от центра (в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от того, положительна или отрицательна разность). Из полученных таким образом точек на осях отведений опустить перпендикуляры. Точка их пересечения укажет конец вектора электрической оси сердца (начало - в центре треугольника).

Чтобы определить направление электрической оси, необходимо измерить угол между полученным вектором и горизонтальной линией. В норме он составляет от 0 до +90 градусов. Существуют такие варианты направления электрической оси сердца: нормограмма (от 0⁰ до +90⁰): горизонтальное положение (от 0⁰  до 40⁰), нормальное (от 40⁰ до 70⁰)ти вертикальное (от 70⁰  до 90⁰); правограмма (от 90⁰ до 180⁰), левограмма (от 0⁰ до - 90⁰).

36. Свет. Природа света. Волновые и корпускулярные свойства света. Уравнение электромагнитной волны.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа. Одна из этих теорий связана с именем И.Ньютона, а другая – с именем Х.Гюйгенса. И. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Согласно же представлениям Х.Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет И.Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например, на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. К волновым свойствам света можно отнести также дисперсию света, поляризацию. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Д.Максвелл во второй половине XIX века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Д.Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Г.Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Волновыми свойствами света нельзя было объяснить закономерности фотоэффекта. Возникла необычная ситуация. Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов. Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с, то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

Одновременное наличие у объектов волновых и корпускулярных свойств получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Особенности электромагнитной волны, законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E (t) и H (t), определяющие тип волн, вид поляризации и другие особенности электромагнитной волны задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой — свойствами среды, в которой они распространяются. При прохождении монохроматической электромагнитной волны частотой ω векторы E и H в данной фиксированной точке пространства испытывают синфазные и только синфазные гармонические колебания с этой же частотой:

И з условия синфазности следует, что в тех точках пространства, где E = 0 должно быть и H = 0, аналогично и по амплитудным значениям E₀ и H₀. Это значит, что векторная волна электрического поля E пространственно совпадает с векторной волной магнитного поля H, но только при этом векторы E и H колеблются во взаимно – перпендикулярных плоскостях, как это показано на рисунке ниже. Если источником задается одно единственное направление x для излучения электромагнитной волны, то фронт волны будет плоским, а волна одномерной, как для вектора E, так и для вектора H. В этом случае волну можно представить двумя уравнениями, соответственно

Здесь E₀ и H₀ — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, ω — частота этих колебаний, х — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор. Частота ω колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны χ соотношением: χ = 2pс/ ω.

Дисперсия – разложение света в спектр

Дифракция света - отклонение световых волн от прямолинейного распространения, огибание встречающихся препятствий

Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн

Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света

37. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса. Закон Брюстера.

Электромагнитная волна является поперечной. Колебания вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне происходят в перпендикулярных к направлению распространения волны плоскостях.

Н аправление вектора напряженности электрического поля определяет тип поляризации световой волны. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации. Степенью поляризации называется величина P равная:

 где I_max и I_min, - максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света I_max = I_min и Р = 0, для плоскополяризованного I_min = 0 и Р = 1.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы турмалина.

Н аправим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО'. Вращая кристалл Т₁ вокруг направления луча, никаких изменении интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т₂ и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла, а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

                                         

где I₀ и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума при χ = П/2 до максимума при α = 0. Однако, из рис., амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку T₂ будет меньше амплитуды световых колебаний E₀, падающих на пластиду Т₁.   Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, получается закон Малюса.

  Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления, т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина. Пластинка Т₁, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы.

Е сли пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I₀ = 1/2I_ест из второго, согласно, выйдет свет интенсивностью I = I₀cos². Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

откуда I_max = 1/2 I_ест (поляризаторы параллельны) и   I_min = 0 (поляризаторы скрещены)

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в прелом ленном - колебания, параллельные плоскости падения.

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) установил закон, согласно которому при угле падения i_B (угол Брюстера), определяемого соотношением:

  (n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой)

О траженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения)

Преломленный же луч при угле падения i_B поляризуется максимально, но не полностью.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны

,

i₂ - угол преломления, откуда: cosi_B = sini₂. Следовательно, i_B – i₂ = /2, но i_b = i_B (закон отражения), поэтому i'_B + i₂ = /2

38. Поляриметр – его устройство и принцип работы. Использование поляриметра для определения концентраций оптически активных веществ. Законы преломления света. Рефрактометр – его устройство и назначение.

Свет – это электромагнитные волны. Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходят во всевозможных направлениях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно меняют свое положение в пространстве.Если же направления колебаний светового вектора упорядочены каким–либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебаний вектора Е занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость в которой происходят колебания вектора Е, называется плоскостью поляризации. Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризатора. Он пропускает колебания, параллельные только одной плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости. Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоскополяризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором. Пусть колебания вектора Е поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол j с главной плоскостью анализатора. Амплитуду Е этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е₁ – совпадающую с главной плоскостью анализатора и Е₂ – перпендикулярную ей. Е₁=E cosj, Е₂=Е sinj . Первая составляющая колебаний пройдет через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды; следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна Е²cos²j (закон Малюса): I = I₀ cos²j, где I₀ - интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; j - угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора. Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны, j = 0, p, т.е. cosj=±1, то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещенным. Если j = p/2, 3p/2, т.е. cosj = 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным. При прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными.

Вращение плоскости поляризации растворами обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с асимметричными (хиральными) молекулами растворенного оптически активного вещества. Особенностью таких молекул является наличие в их составе неспаренного электрона. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией. Молекулы с одинаковой химической формулой, но разной структурой поворачивают плоскость поляризации в разных направлениях. Различают правовращающие и левовращающие вещества. «Левая» молекула является зеркальным отображением «правой». Механизм поворота плоскости колебания электрического вектора основан на сильном влиянии на неспаренный электрон со стороны таких же электронов в составе соседних хиральных молекул. Величина угла поворота плоскости поляризации пропорциональна концентрации оптически активного вещества и длине пробега луча в этом веществе.

В растворах угол a поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации с раствора: a = [a₀]cl, где [a₀] – удельное вращение. Оно обратно пропорционально квадрату длины волны, зависит от природы вещества и температуры и численно равно увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 10 см при концентрации вещества 1 гр на 100 см³ раствора, температуре 20°С и длине волны света l = 589 нм.

При пропускании поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскости поляризации волн различной длины будут поворачиваться на различные углы.

Е сли между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить полностью затемненное поле зрения, необходимо анализатор повернуть на угол a поворота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы, можно определить концентрацию раствора:

Метод, применяемый при качественном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко используется в медицине и биологии, в клинической практике.

Источником света в поляриметре может являться лампа накаливания или солнечный свет, направляемый при помощи зеркальца. Свет от источника падает на светофильтр Ф и объектив О. Полученный монохроматический свет проходит через поляризатор П, кювету Т с раствором и анализатор А. В качестве анализатора и поляризатора в приборе используются поляроиды. После анализатора свет проходит через объектив Об и окуляр Ок зрительной трубы сахариметра, которая служит для визуального наблюдения поля зрения.

Рефрактометрия. Значение показателя преломления раствора, определяемого при помощи рефрактометра, зависит от концентрации расворенного вещества и температуры. Вследствие взаимодействия электромагнитной волны со средой, изменяется скорость ее распространения. Эта зависимость имеет вид: v=c/n, где n= -абсолютный показатель преломления вещества, v – скорость света в среде, а с – скорость света в вакууме. При переходе света через границу раздела двух сред, скорость распространения света в которых различна, происходит изменение его направления. Это явление называется преломлением или рефракцией света. Явление рефракции света легло в основу метода определения концентрации разбавленных растворов по эмпирической зависимости между показателем преломления и концентрацией раствора. Относительный показатель преломления сред: n₂₁=n₂/n_1, где n₂ и n₁ - абсолютные показатели преломления сред. При переходе света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду угол падения луча больше угла преломления. Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом i=p/2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом r<p/2. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует

, откуда sin r_пр=n₁/n₂

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. При некотором угле падения i луча угол преломления равен p/2, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред (полное отражение). Угол i называется предельным углом полного отражения и обозначается i_пр. Так как

, то sin i_пр=n₂/n₁

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ - рефрактометрах.

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Луч света от источника 3 направляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань CD нижней призмы под различными углами от 0 до 90°. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до r_пр. Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его – темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую. Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой показатель поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождении света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Луч света от источника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на гипотенузную грань CD, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0 до 90°. Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами, большими i_пр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же как и в первом случае, окажется разделенным на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, также зависящем от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм.

В рефрактометре используется источник 3 белого света. Вследствие дисперсии при прохождении светом призм 1 и 2 граница света и тени оказывается окрашенной. Во избежание этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм, каждая из которых склеена из трех призм, обладающих различным показателем преломления. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала возможно более четкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы раздела свет – тень рассматривается в окуляр 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

О птическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

39. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Фотоэлектроколориметр. Его устройство и принцип работы.

При пропускании света через слой вещества его интенсивность уменьшается. Уменьшение интенсивности является следствием взаимодействия световой волны с электронами вещества, в результате которого часть световой энергии передается электронам. Это явление получило название поглощения света. Теоретическим обоснованием этого явления стал закон Бугера-Ламберта-Бера.

П усть через однородное вещество проходит пучок параллельных монохроматических лучей длиной волны . Выделим элементарный участок слоя вещества толщиной dl . При прохождении света через такой участок его интенсивность I ослабляется. Изменение интенсивности dI пропорционально интенсивности падающего света и толщине слоя dl: dI=-_Idl, где _ - монохроматический натуральный показатель поглощения, зависящий от свойств среды. Знак «-» означает. что интенсивность света уменьшается.

Н айдем интенсивность I_l света, прошедшего слой вещества толщиной 1, если интенсивность входящего в среду света I₀. Для этого проинтегрируем предыдущее выражение, предварительно разделив переменные:

В результате получим lnI_l-lnI₀=-_l, откуда

Это закон Бугера. Он показывает, что интенсивность света уменьшается в геометрической прогрессии, если толщина слоя возрастает в арифметической прогрессии. Натуральный монохроматический показатель поглощения является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в e раз.

Иногда закон Бугера записывают в виде

, где - монохроматический показатель поглощения.

Свет различных длин волн поглощается веществом различно, поэтому показатели поглощения _ и зависят от длины волны.

Монохроматический натуральный показатель поглощения раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе пропорционален концентрации с раствора (закон Бера): _= _lc, где _l - натуральный показатель поглощения, отнесенный к концентрации вещества.

Закон Бера выполняется только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах он нарушается из-за влияния взаимодействия между близко расположенными молекулами поглощающего вещества. Объединяя предыдущие выражения, получаем закон Бугера – Ламберта – Бера:

или

Отношение  = I_l / I₀ называется коэффициентом пропускания.

Оптическая плотность вещества равна

Не трудно заметить, что

Закон Бугера – Ламберта – Бера лежит в основе концентрационной колориметрии: фотометрических методов определения концентрации вещества в окрашенных растворах. В концентрационной колориметрии используются методы, связанные с той или иной формой фотометрии, т.е. изменением интенсивности света.

В основу устройства фотоэлектроколориметра положен принцип уравнивания двух световых потоков путем изменения одного из них с помощью диафрагмы с переменным отверстием.

Если диафрагмы одинаково освещены и в одинаковой мере раскрыты, то яркость обеих половин поля зрения будут одинаковы. Если же при равенстве яркостей на пути одного светового потока, например первого, поместить объект, частично поглощающий свет, то фотометрическое равенство нарушится, так как правая половина поля зрения станет менее яркой. Для того чтобы уровнять яркость полей, необходимо ослабить интенсивность пучка, уменьшив отверстие диафрагмы, через которую он проходит.

При измерении концентрации вещества в растворах на пути одного из пучков света ставится стеклянная кювета с исследуемым раствором. Для того чтобы учесть поглощение света растворителем, на пути второго пучка ставится такая же кювета с чистым растворителем. Количество жидкостей в обеих кюветах должно быть одинаковым.

Для проведения измерений в монохроматическом свете прибор снабжен одиннадцатью светофильтрами, расположенными в револьверном диске. При повороте диска номера светофильтров появляются в его окошечке. Восемь светофильтров делят видимую область спектра на примерно равные участки шириной в среднем 40 нм. Остальные обладают более широкой полосой пропускания и делят видимую область на три части: красную, зеленую и синюю. Светофильтры характеризуются эффективной длиной волны _эф, соответствующей максимуму коэффициента пропускания для данного светофильтра.

40. Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем. В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева. (Z >83).

Состав радиоактивного излучения

Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонент: : излучения. Обнаружено, что лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а лучи не отклоняются совсем. Так были определены знаки зарядов составных частей радиоактивного излучения.

Обозначение	Природа	Зарядовое и массовое число	Энергия	Скорость
лучи	поток полностью ионизированных атомов гелия	 илиHe	4-9 МэВ	107 м/с
лучи	поток быстрых электронов	илие	непрерывный спектр энергий от 0 до 782 кэВ	108 м/с
лучи	жесткое электромагнитное излучение (=10-2 нм)	-	линейчатый спектр энергий	3·108 м/с

Типы радиоактивных распадов.

Наблюдения показали, что одновременно излучения испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов. Чистые радиоактивные элементы испускают или излучение или излучение, каждому их которых сопутствует -излучение. Радиоактивность возникает вследствие самопроизвольного распада ядер одних элементов и превращения их в ядра других. Превращения ядер бывают двух типов: распад и распад. Они подчиняются определенным закономерностям, называемым правилами радиоактивного смещения. Эти правила установил Содди.

тип распада	реакция	правило смещения
распад	ZXA =>Z-2YA-4 + 2 4	при распаде образуется ядро элемента Y находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного элемента X.
распад	ZXA =>Z+1YA + -1e0	при распаде образуется ядро элемента Y, находящегося на одну клетку вправо от исходного элемента X

 

При реакциях самопроизвольного радиоактивного распада, также как и при искусственных ядерных реакциях выполняются следующие законы сохранения: сохранение зарядового числа, массового числа, энергии

Закон радиоактивного распада

К аждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада - основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Например: радий ₈₈Ra²²⁶ имеет период полураспада Т=1600 лет; торий ₉₀Th²³¹ -25.64 часа; полоний ₈₄Po²¹² -3·10^-7 сек.

Выведем закон радиоактивного распада. Обозначим N-число ядер в момент времени t. Очевидно:

при t=0	N=N0
t=T	n=N0/2
t=2T	N=N0/2·2=N0/4=N0/22
t=3T	N=N0/23
-	-
t=n·T	N=N0/2n

Так как n=t/T, то   N=N₀·2^-t/T.  Это и есть закон радиоактивного распада. За время t распадается число ядер, равное N=N₀-N=N₀(1-2^-t/T)

41. Тормозное рентгеновское излучение. Устройство и принцип работы рентгеновской трубки. Использование рентгеновских лучей для изучения структуры веществ и в медицине.

О ткрыв «Х-лучи», Рентген тщательными опытами выяснил условия их образования. Он установил, что эти лучи возникают в том месте трубки, где летящие электроны, составляющие катодный пучок, задерживаются, ударяясь о стенку трубки. Исходя из этого обстоятельства, Рентген сконструировал и построил специальную трубку, удобную для получения рентгеновских лучей. В своих существенных чертах конструкция трубки Рентгена сохранилась и до нашего времени. Катодом служит толстая накаливаемая вольфрамовая нить, испускающая интенсивный поток электронов, которые ускоряются приложенным электрическим напряжением. Катод снабжен колпачком из тантала, фокусирующим электроны, так как электроны вылетают перпендикулярно поверхности катода. Мишенью служит пластинка из вольфрама, платины или другого тяжелого металла, впрессованная в анод (зеркало анода), который для отвода тепла изготовляется из красной меди. Ударяясь о поверхность мишени, электроны задерживаются и дают рентгеновские лучи. Напряжение между катодом и анодом достигает нескольких десятков тысяч вольт. Для того чтобы электроны могли беспрепятственно достигать мишени, рентгеновскую трубку откачивают до высокого вакуума. Только 1–3 % энергии электронов идет на излучение, остальная часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают водой. Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских лучей).

    

  Начальная скорость электрона v₀ при попадании на анод определяется по формуле:

U – ускоряющее напряжение. Заметное излучение наблюдается лишь при резком торможении быстрых электронов, начиная с U ~ 50 кВ, при этом v₀~0,4c (с – скорость света). В индукционных ускорителях электронов – бетатронах, электроны приобретают энергию до 50 МэВ, v₀ = 0,99995 с. Направив такие электроны на твердую мишень, получим рентгеновское излучение с малой длиной волны. Это излучение обладает большой проникающей способностью.

 

      Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов, что в основном подтверждается на опыте. Однако есть принципиальное отличие от классической теории: нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях l_min – это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра. Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта hv не может превысить энергию электрона eU, т.е. hv ≤ eU, отсюда или .

      В данном эксперименте можно определить постоянную Планка h. Из всех методов определения постоянной Планка метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным.

Рентгеновский структурный анализ, методы исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Р. с. а. наряду с нейтронографией и электронографией является дифракционным структурным методом; в его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~1 , т. е. порядка размеров атомов. Методами р. с. а. изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Рентгенология – область медицины, изучающая применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем, рентгенодиагностики заболеваний.

Рентгеноскопия – один из основных методов рентгенодиагностики, заключающийся в получении (обычно на рентгеновском экране) изображения исследуемого объекта. Она основана на проникающей способности рентгеновских лучей и их свойстве вызывать видимое в темноте свечение (флюоресценцию) химического вещества, нанесенного тонким слоем на просвечивающий экран. При рентгеноскопии больного помещают между источником возникновения рентгеновских лучей и просвечивающим экраном, на котором в затемненном рентгеновском кабинете появляется теневое рентгеновское изображение исследуемых органов (например, легких, сердца и др. при рентгене грудной клетки). Рентгеноскопия дешевле рентгенографии. Но врачу и больному приходится находиться в сфере действия рентгеновских лучей более длительные сроки – минуты вместо секунд. Однако рентгеноскопия незаменима при рентгенологическом исследовании внутренних органов, т.к. обеспечивает возможность непосредственного зрительного определения физиологических явлений (пульсация сердца и крупных сосудов; дыхательные смещения ребер и диафрагмы; сокращения стенок пищевода, желудка и кишок). Рентгеноскопия также необходима для точного выяснения отношения болевых точек к тому или иному органу (например, при язве двенадцатиперстной кишки или желудка), для определения смещаемости органа или его неподвижности при наличии спаек и в особенности для распознавания опухолевых образований желудка, кишечника или других органов.

Рентгенография – метод рентгенодиагностики, заключающийся в получении фиксированного теневого изображения (снимка) объекта на фотоматериале при прохождении через них рентгеновских лучей. Больной располагается так, чтобы снимаемый объект находился между рентгеновской трубкой и алюминиевой кассетой, в которую помещается рентгеновская пленка. Рентгенография возможна в незатемненном помещении. Рентгенограммы производятся на расстоянии 60 – 70 см трубки от кассеты и требуют выдержки от долей секунды до нескольких секунд. По сравнению с рентгеноскопией, рентгенография имеет те преимущества, что выявляет тончайшие подробности в рентгеновской картине снимаемой области человеческого тела; больной при этом подвергается значительно меньшему облучению. Частным случаем рентгенографии является флюорография, основной её целью флюорографии является отбор людей, не осведомленных о своем заболевании и пораженных различными формами еще не распознанного туберкулеза легких, плевры, лимфатических узлов и др.

42. Виды ионизирующих излучений. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.

Ионизирующими излучениями называются такие виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др.

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными; они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и др. (всего около 50 элементов), и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем (более 700 элементов).

При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.

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

Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эти лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок. По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так — называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности. Интенсивность всех видов радиоактивного облучения, как и при других видах лучистой энергии, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения, то есть при увеличении расстояния вдвое или втрое интенсивность облучения уменьшается соответственно в 4 и 9 раз.

Радиоактивные элементы могут присутствовать в виде твердых тел, жидкостей и газов, поэтому, помимо своего специфического свойства излучения, они обладают соответствующими свойствами этих трех состояний; они могут образовывать аэрозоли, пары, распространяться в воздушной среде, загрязнять окружающие поверхности, включая оборудование, спецодежду, кожный покров рабочих и т. д., проникать в пищеварительный тракт и органы дыхания.

Электромагнитное излучение, особенно рентгеновское, взаимодействует с веществом и вызывает ионизацию тремя путями: при помощи фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар.

Фотоэффект преобладает при излучениях с низкой энергией (от 30 до 100 кэВ), которые используются в диагностической радиологии. Эффект состоит в том, что фотон взаимодействует с электроном одного из энергетических уровней атома (обычно К, L или М). Если энергия фотона превышает энергию связи электрона, то электрон покидает свою орбиту с кинетической энергией, равной разности между энергией фотона и энергией связи электрона. Фотоэлектрический эффект прямо пропорционален кубу атомного номера элемента Z; именно поэтому кости видны на рентгенограммах намного лучше, чем мягкие ткани.

У излучений с более высокой энергией, используемых в терапевтической радиологии, преобладает эффект Комптона. Он состоит в том, что при столкновении фотона с электроном, находящимся на орбите, часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, а фотон, потеряв часть энергии, изменяет направление движения.

Фотоны с энергией выше 1,02 МэВ могут вызывать образование электронно-позитронных пар. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительно заряжен. Пройдя небольшое расстояние, он соединяется с электроном из другой пары. При этом масса обеих частиц переходит в энергию с излучением в противоположных направлениях двух фотонов.

43. Дозиметрия. Дозы ионизирующих излучений. Дозиметры ионизирующих излучений.

Дозиметрия, область прикладной физики, изучает физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин. Необходима для: защиты человека от ионизирующих излучений, количественной оценки степени радиационной опасности (рентгеновских лучей, - и - излучения). Методы измерения активности радиоактивных источников, являющиеся основой радиометрии. Количественный критерий - экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха. Исследования биологического действия ионизирующих излучений на клеточном и молекулярном уровнях вызвали развитие микродозиметрии.

Доза ионизирующего излучения, энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества (поглощённая доза (D_п)). Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Доза тем больше, чем больше время облучения. Доза, отнесённая к единице времени, называется мощностью дозы. Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества различна для разных видов излучения. Например, для рентгеновского и -излучений дозы зависит от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этой зависимости определяется энергией фотонов hv. Для этих видов излучений доза в тяжёлых веществах больше, чем в лёгких. Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Если происходят упругие соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей для лёгких ядер. В этом случае (при одинаковых условиях облучения) поглощённая доза в лёгком веществе будет выше, чем в тяжёлом и т.п. Поглощённая доза в системе единиц СИ измеряется в дж/кг. Широко распространена внесистемная единица рад: 1 рад = 10^-2дж/кг = 100 эрг/г. Мощность дозы измеряется в рад/сек, рад/ч и т.п.

Экспозиционная доза — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского и -излучений — измеряется количеством образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является к/кг. Экспозиционная доза в 1 к/кг означает, что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, равен одному кулону. Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген: 1 р = 2,57976×10^-4 к/кг. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу рентгеновского и -излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

При облучении живых организмов возникают биологические эффекты, величина которых определяет степень радиационной опасности. Она часто пропорциональна поглощённой энергии, но зависит от вида облучения. Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, с биологическими эффектами, вызываемыми рентгеновским и -излучениями. Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность для данного вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в тканях организма, называется коэффициентом качества К. В радиобиологических исследованиях для сравнения радиационных эффектов пользуются понятием относительной биологической эффективности (ОБЭ). Для рентгеновского и -излучений К = 1. Для всех др. ионизирующих излучений коэффициент качества устанавливается на основании радиобиологических данных. Коэффициент качества может быть разным для различных энергий одного и того же вида излучения. Эквивалентная доза D_э определяется как произведение поглощённой D_n на коэффициент качества излучения К; D_э = D_nК. Коэффициент К является безразмерной величиной, и эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая. Однако существует специальная единица эквивалентной дозы — бэр. Эквивалентная доза в 1 бэр численно равна поглощённой дозе в 1 рад, умноженной на коэффициент качества К. Минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД) для человека при общем -облучении равна ~ 600 бэр.

Дозиметрические приборы, дозиметры, устройства для измерения доз ионизирующих излучений или величин, связанных с дозами одного вида излучения или смешанного излучения. Для рентгеновского и -излучений – рентгенметры ( в рентгенах); бэрметры (в бэрах); радиометры (активность или концентрацию радиоактивных веществ). По способу эксплуатации различают: стационарные, переносные (переносить в выключенном состоянии) и носимые. В зависимости от типа детектора различают: ионизационные дозиметры, сцинтилляционные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры.

Детектором служит счётчик Гейгера — Мюллера, снабжён звуковой и световой сигнализацией, которая срабатывает при превышении заданной величины мощности дозы.

Прибор СУ-1 предназначен для автоматического контроля загрязнённости - и -активными веществами поверхностей тела и одежды человека. Он имеет несколько газоразрядных счётчиков, расположенных так, что счётчики регистрируют излучение со всей поверхности тела человека. На специальном световом табло, изображающем силуэт человека, загораются световые сигналы, показывающие места превышения допустимых норм загрязнения.

В сцинтилляционных д. п. световые вспышки, возникающие в сцинтилляторе под действием излучения, преобразуются с помощью фотоэлектронного умножителя в электрические сигналы, которые затем регистрируются измерительным устройством.

В люминесцентных д. п. используется тот факт, что люминофоры способны накапливать поглощённую энергию излучения, а затем освобождать её путём люминесценции под действием дополнительного возбуждения, которое осуществляется либо нагревом люминофора, либо его облучением. Интенсивность световой вспышки люминесценции, измеряемая с помощью специальных устройств, пропорциональна дозе излучения. Особенностью люминесцентных дозиметров является способность сохранять информацию о дозе; в нужный момент информация может быть получена путём дополнительного возбуждения.

К числу устройств, накапливающих информацию о дозе излучения, относятся д. п., в которых детектором служат специальные сорта фоточувствительных плёнок. Оптическая плотность почернения (после химической обработки) является мерой дозы излучения.