Файл: Лекции по физике.pdf

Со времени изобретения лазера были выявлены уникальные возможности его применения в технике, биологии и медицине.

Мощные лазеры используют для резки и сварки стальных листов (с высоким качеством сварного шва), поверхностной закалки, легирования деталей, резки мрамора и гранита, раскроя тканей и кожи. Лазеры малой мощности используют для сверления тонких ( 1-10 мкм) отверстий в любых материалах (даже в рубиновых и алмазных камнях), сварки миниатюрных деталей в микроэлектронике, изготовления печатных плат и интегральных микросхем, записи информации на оптические диски и ее считывания.

В биологических исследованиях используют лазеры малой мощности (несколько мВт), чтобы не повредить клеточные структуры. Тончайший лазерный луч диаметром всего в несколько микрон, обладающий большой интенсивностью, дает возможность «тонкого вмешательства» в клеточные и субклеточные процессы. Облучая определенные участки хромосом, можно управлять наследственностью. Лазер позволяет исследовать процесс фотосинтеза, изучить внутриклеточную локализацию биохимических соединений, распределение поглощенных клеткой веществ, а также выявить особенности патологических изменений в клетках, например, опухоли.

Лазер, работающий в красной области спектра, оказывает прогревающее действие и используется в терапии, а также для фотоактивирования семян с целью улучшения их всхожести.

Все большее применение лазеры находят в медицинской и ветеринарной клинической практике. Лазерный скальпель по линии разреза сразу же заваривает кровеносные сосуды, что делает операционное поле почти бескровным, обеспечивает стерильность, так как не касается ткани и приводит к гибели микроорганизмов в области разреза. Существенно, что лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, а это уменьшает болезненность операции. Хирургическое применение лазер нашел и в офтальмологии для внутриглазных операций. Особенно эффективным оказалось использование лазерного луча при лечении отслоения сетчатки от глазного дна: луч применяется для спайки отслоившейся сетчатки с поверхностью сосудистой оболочки.

Заканчивая речь о лазерах, отметим, что обращаться с ними нужно в высшей степени осторожно (даже с очень маломощными в несколько мВт)!

Попадание в глаз лазерного луча мгновенно вызывает ожог сетчатки: полное необратимое разрушение светочувствительных нервных клеток (палочек и колбочек).

Вопросы к лекции 20

1.Что изучает квантовая физика? Какие объекты относят к микрочастицам?

2.В чем сущность корпускулярно-волнового дуализма для микрочастиц? Приведите примеры.

3.Сформулируйте принцип неопределенности Гейзенберга. Почему этот принцип «неточности» не мешает точной работе современных устройств, основанных на принципах квантовой физики (интегральных микросхем, светодиодов, лазеров, электронных и туннельных микроскопов и др.)?

4.Сформулируйте принцип дополнительности Бора и поясните его сущность.

137

5.Напишите уравнение Шредингера и назовите входящие в нее величины.

6.В чем заключается физический смысл волновой функции какой-либо микрочастицы?

7.Проведите сравнение основных положений классической и квантовой физики.

8.Что такое фотоны, и как они появляются? Как меняется длина волны фотонов с увеличением их частоты?

9.Напишите формулу Планка и назовите входящие в нее величины.

10.Какое явление называют фотоэффектом? Напишите уравнение для этого явления и поясните физический смысл входящих в него величин.

11.Что такое красная граница фотоэффекта?

12.Нарисуйте схему фотоэлемента, опишите принцип его работы и постройте его вольтамперную характеристику. Где используются эти приборы?

13.Напишите закон поглощения света, назовите входящие в него величины и постройте схематический график зависимости J(L).

14.С помощью закона сохранения энергии объясните причину нагрева тел, на которые падает свет.

15.Приведите примеры фотобиологических реакций.

16.К каким последствиям приведет остановка процесса фотосинтеза в клетках растений?

17.Будут ли опадать листья у саженцев березы, растущих в теплице с круглосуточным освещением? Ответ обоснуйте.

18.Почему на ваш взгляд при искусственном освещении повышается яйценоскость кур на птицефабриках?

19.Опишите общий принцип работы лазера и дайте краткую характеристику лазерного излучения.

20.Приведите примеры использования лазеров в технике, биологии, медицине и ветеринарии.

21.Почему даже маломощные лазеры в несколько милливатт представляют серьезную опасность для здоровья?

138

Лекция 21. Рентгеновское излучение

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной от 100 до 10–5 нм. Оно возникает при торможении быстрых электронов1 в веществе (непрерывный спектр) или при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр).

21.1. Источники рентгеновского излучения

Искусственными источниками рентгеновского излучения являются рентгеновская трубка, ускорители и накопители электронов. К естественным источникам можно отнести некоторые радиоактивные изотопы, а также различные астрономические объекты, например, нейтронные звезды, квазары2, отдельные галактики и их скопления.

Наиболее распространенным искусственным источником рентгеновского

ду электродами, с большой скоростью попадают на анод (антикатод) и

тормозятся в нем при взаимодействии с атомами вещества анода. При резком торможении электроны излучают электромагнитные волны с очень маленькой

1Любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитную волну, см. лекцию 17.

2Очень удаленные от солнечной системы космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Источник их энергии точно неизвестен.

139

при напряжении на трубке 35 кВ приведены экспериментальные кривые спектрального распределения энергии рентгеновского излучения в случае анодов из вольфрама, молибдена и хрома. За меру интенсивности излучения принят ток в ионизационной камере. В случае молибдена, наряду со сплошным излучением, возбуждаются две линии характеристического излучения с длинами волн при-

мерно 0,063 и 0,071 нм.

21.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Как и любые другие электромагнитные волны, рентгеновские лучи при прохождении через вещество испытывают ослабление. Оно вызвано двумя причинами: поглощением и рассеянием. Рассмотрим их подробнее.

Проходя через вещество, рентгеновское излучение поглощается атомами или молекулами этого вещества, и интенсивность излучения постепенно уменьшается в соответствии с законом (20.5). Разные вещества по-разному поглощают это излучение: одни сильнее (большой коэффициент поглощения χ), другие слабее (маленький коэффициент поглощения χ). Существенное разли-

чие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов человека и животных. Проходя через разные ткани, рентгеновские лучи по-разному засвечивают фотопленку: там, где поглощение слабое –

Рис. 21.3. темный фон, а где сильное – светлый. Так, костная ткань гораздо сильнее поглощает рентгеновское излучение, чем мышечная, поэтому на фото-

пленке кости будут светлее остальных частей организма, см. рис. 21.3 с рентгеновским снимком рыбы. Этот метод рентгенодиагностики называется рентгенографией. При проведении процедуры пациент располагается так, чтобы снимаемый объект (например, зуб, конечность или органы грудной клетки) находился между рентгеновской трубкой и кассетой с рентгеновской пленкой. Для диагностики используют мягкое рентгеновское излучение с длиной волны порядка 10-20 нм.

Рентгенография используется в диагностике костного аппарата человека и животных для выявления переломов, вывихов, костных наростов, а также выяснения состояния зубов. Можно диагностировать и мягкие ткани, например, легкие на предмет пневмонии или плеврита.

Рентгеновское излучение применяется также для контроля материалов (рентгенодефектоскопия), например, для выявления микротрещин, полостей или неоднородностей в структуре материала.

Кроме поглощения пучок рентгеновских лучей, проходя вещество, испытывает рассеяние, когда часть лучей отклоняется в сторону и поэтому выходит

140