ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.04.2019
Просмотров: 7255
Скачиваний: 3
СОДЕРЖАНИЕ
Величина ЛПЭ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества.
Физико-химические основы биологического действия ионизирующего излучения.
Тормозное и черенковское излучения
Прямое и косвенное действие излучений на мишени в клетках
Первичные продукты радиолиза воды
Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими
МЕМБРАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ И ИХ ИОННАЯ ПРИРОДА.
Потенциал покоя, уравнение Нернста.
Стационарный потенциал Гольдмана - Ходжкина.
Уравнение потенциала для трех ионов имеет следующий вид:
Это уравнение называется уравнением стационарного потенциала Гольдмана - Ходжкина - Катца.
Уравнение электродиффузии ионов через мембрану
в приближении однородного поля.
Поток частиц "Ф" равен потоку электричества "j", деленному на заряд каждой частицы "q", то есть
F = NA e, E = z e NA(2 - 1) = qNA(2 - 1),
, (G - свободная энергия), (2)
Сопоставив (1) и (2), получаем:
где - молярная концентрация частиц (Кмоль/м ).
Это уравнение соблюдается и для явлений диффузии, и для электрофореза в однородном растворителе.
где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.
Механизм генерации и распространения потенциала действия.
Из уравнений (1) и (2) получим:
Учитывая, что " " и "U" величины постоянные, можно написать:
где k - коэффициент пропорциональности.
ПАССИВНЫЙ И АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ
Пассивный перенос веществ через биомембраны.
Диффузия незаряженных молекул.
Принято различать следующие типы пассивного переноса веществ (включая ионы) через мембраны:
2. Перенос через поры (каналы)
3. Транспорт с помощью переносчиков за счет:
а) диффузии переносчика вместе с веществом в мембране (подвижный переносчик);
Перенос по механизму 2 и 3 называют иногда облегченной диффузией.
но СН – СВ = Ф/Р, где Р - проницаемость системы в целом. Откуда:
где DB - коэффициент диффузии вещества в воде.
Если ввести безразмерный потенциал: , а также заменить СМВи СМН на концентрации иона в водной фазе
где k - коэффициент распределения иона, то получим выражение:
где P - коэффициент проницаемости.
Пассивный транспорт веществ через
где l - длина канала, очевидно, равная или близкая к толщине мембраны.
Для потока в случае пассивного транспорта получаем:
Физический смысл величины - максимальная величина потока.
Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса
ионов так называемыми ионофорными антибиотиками: валиномицином,
энниатинами, нактинами и другими.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ АКТИВНОГО
Лиганд - малая молекула (ион, гормон, лекарственный препарат и др.).
1. Присоединение снаружи двух ионов K+ и одной молекулы Mg2+ АТФ:
2 Ko+ + Mg АTФ + E (2 K+)(Mg АТФ)E
2. Гидролиз АТФ и образование энзим-фосфата:
(2 K+ )(Mg АТФ)E Mg АТФ + (2 K+)E - P
3. Перенос центров связывания K+ внутрь (транслокация 1):
4. Отсоединение обоих ионов калия и замена этих ионов тремя
ионами Na, находящимися внутри клетки:
E - P(2 K+) + 3 Nai + E - P(3 Na+ ) + 2 K+ i
E - P(3 Na+ ) E(3 Na+ ) + P (фосфат)
6. Перенос центров связывания вместе с ионами Na+ наружу (транслокация 2):
7. Отщепление 3 Na+ и присоединение 2 K+ снаружи:
2 K0+ + 3 Na+ (E) 3 Na+ + (2 K+ )E
Таким образом, Na+ K+ насос является электрогенным.
Наиболее распространенным видом пассивной диффузии клеточных мембран является порная.
Классическое уравнение осмотического давления:
ПЕРВИЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Основные методы и аппаратура для
высокочастотной электротерапии.
В физиотерапии имеется большая группа методов, в основе ко-
торых лежат электромагнитные колебания и волны.
Первичное действие переменного тока и электромагнитного по-
ля на биологические объекты в основном заключается в периодичес-
ком смещении ионов растворов электролитов и изменении поляриза-
ции диэлектриков. При частотах приблизительно более 200-500 кГц
смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результа-
те молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромаг-
нитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным
первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие,
вследствие трения между заряженными частицами при колебательном
Электромагнитные колебания и волны, применяемые в медицинс-
кой практике, условно подразделяются на несколько диапазонов:
звуковой частоты (ЗЧ) 20 - 20 кГц
ультразвукочастотные (УЗЧ) 20 - 200 кГц
высокочастотные (ВЧ) 0,2 - 30 мГц
ультравысокочастотные (УВЧ) 30 - 300 мГц
сверхвысокочастотные (СВЧ) свыше 300 мГц
крайневысокочастотные (КВЧ) > 1000 мГц.
Так как специфическое действие тока, особенно при небольших
частотах, определяется формой импульсов, то используют токи с
разной временной зависимостью.
1. ИМПУЛЬСНЫЕ ТОКИ НИЗКОЙ И ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ.
Это токи с импульсами прямоугольной формы
(t = 0,1 - мс; 10 - 100 Гц) - для лечения
Ток с импульсами треугольной формы - те-
танизирующий (фарадический) ток (t = 1 -
5 мс, частота 100 Гц), а также ток экспо-
ненциальной формы (t = 3-60 мс, 8-80 Гц)-
применяют для возбуждения мышц.
Кроме того, для различных видов электро-
лечения используют диадинамические токи,
Эти токи применяются для прогревания органов в хирургии для
рассечения тканей (диатермотомия) и прижигания или удаления тка-
Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в
физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной
При диатермии применяют ток частоты около одного мегагерца
со слабозатухающими колебаниями, напряжение 100 - 150 В, сила
тока несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротивлением
обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и прогреваются сильнее.
Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, -
легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток диатермии - боль-
шое количество теплоты непродуктивно выделяющееся в слое кожи и
I = j * S, где j - плотность тока
Для местной дарсонвализации применяют ток частотой 100 -
400 кГц, напряжение его - десятки киловольт, а сила тока неболь-
В тканях, находящихся в таком поле, возникают вихревые то-
ки. Этот метод физиотерапии называют индуктотермией. Ткань поме-
щают в катушку с переменным током.
При индуктотермии количество теплоты, выделяющееся в тка-
нях, пропорционально квадратам частоты и индукции переменного
магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивле-
Поэтому сильнее будут нагреваться ткани, богатые сосудами, нап-
ример, мышцы чем такие ткани, как жир. Обычно при индуктотермии
применяют местное воздействие переменного магнитного поля, ис-
пользуя спирали или плоские свернутые кабели.
4.ПЕРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.
В тканях, находящихся в таком поле, возникают токи смещения
и токи проводимости. Обычно для этой цепи употребляют электри-
ческие поля ультравысокой частоты, поэтому соответствующий физи-
отерапевтический метод получил название УВЧ-терапии (в РБ ис-
Физиотерапевтический метод, называемый микроволновой тера-
пией, основан на применении электромагнитных волн СВЧ диапазона
(сантиметровый и дециметровый).
При попадании на тело электромагнитной волны в нем возника-
ют токи проводимости и смещения и выделяется количество теплоты.
Большое значение имеют токи смещения, обусловленные переориента-
цией молекул воды. В связи с этим наибольшее поглощение энергии
микроволн происходит в таких тканях, как мышцы и кровь, а в
костной и жировой тканях меньше, они меньше и нагреваются. Ис-
пользуемые при микроволновой терапии электромагнитные волны пог-
лощаются слоем ткани толщиной в несколько сантиметров.
(Луч - 58, частота - 2375 мГц, * = 12,6 см).
Физиотерапевтические аппараты высокочастотной
терапии. Аппараты индуктотермии и УВЧ-терапии.
К физиотерапевтическим аппаратам высокочастотной терапии
относятся аппараты электрохирургии (рассмотрим их ниже), диатер-
мии, местной дарсонвализации, индуктотермии, УВЧ-терапии, микро-
волновой терапии (также будут рассмотрены ниже).
Общая схема аппаратов индуктотермии и УВЧ-терапии приведена
Хотя генератор собран по двух-
показан однотактный генератор.
В аппарате УВЧ-терапии дискообразные электроды, подводимые
к больному, входят в состав контура пациента, называемого тера-
певтическим контуром. Для безопасности больного терапевтический
контур индуктивно связан с контуром генератора, так как индук-
тивная связь исключает возможность случайного попадания больного
под высокое напряжение, которое практически всегда имеется в ге-
нераторах колебаний. Терапевтический контур применяют и в других
генераторах, используемых для лечения.
Аппараты микроволновой терапии.
Аппарат микроволновой терапии - генератор СВЧ колебаний,
работающий на особых электронных лампах, называемых магнетрона-
ми. Направленный поток волн образуется с помощью специального
излучателя, называемого волноводом.
Волновод - устройство для передачи ультразвуковых волн на-
чиная с дециметрового диапазона - представляет собой металличес-
кую трубу (или короб) определенной формы и размеров, заполненную
диэлектриком (в частности, воздухом). Волноводом может служить
также стержень соответствующих размеров из твердого диэлектрика.
Волна, распространяющаяся внутри волновода, не выходит за его
пределы. Возбуждается волна с помощью штыря или петли, располо-
женной в начале волновода и соединенной коаксиальным кабелем с
выводами генератора СВЧ колебаний.
Для микроволновой терапии используются аппараты "Луч - 2",
Имеются генераторы трех видов: ламповые, полупроводниковые
Применяются частоты от 300 - 400 кГц до 5 мГц (будут до 40 мГц).
Мощности: в офтальмологии, например, несколько ватт до 1 кВт
(рекомендуется МЭК не более 400 Вт).
Активные электроды изготавливаются из меди (раньше из нер-
Аппарат электрохирургии высокочастотный.
Принцип действия аппарата основан на воздействии токов вы-
сокой частоты на мягкие биологические ткани.
При протекании тока через мягкие ткани осуществляется их
резание и коагуляция кровеносных сосудов. Резание тканей произ-
водится синусоидальным немодулированным током частотой 1,76 мГц.
При касании электродом мягкой ткани, вследствие высокой плотнос-
ти входного тока, происходит мгновенный нагрев клеток и испаре-
ние внутриклеточной жидкости, что приводит к разрыву клеток в
зоне касания, таким образом осуществляется разрез ткани.
При коагуляции кровеносных сосудов используется как синусо-
идальный (режим "Резание"), так и амплитудномодулированный ток
(режим "Коагуляция") той же частоты 1,76 мГц. Применяется тепло-
вое действие тока меньшей, чем при резании тканей, плотности.
Вблизи электрода происходит обезвоживание клеток и обеспечивает-
Генераторы синусоидальных колебаний
Для возбуждения незатухающих электрических колебаний приме-
няют автоколебательные системы (работающие за счет энергии ис-
точника постоянного или выпрямленного напряжения), называемые
генераторами. Рассмотрим ламповый генератор:
Существо протекающих в генераторе процессов заключается в
том, что колебательный контур воздействует на анодную цепь лам-
пы, которая в свою очередь оказывает действие на контур. Такой
способ получения колебаний называется обратной связью. Соответс-
твенно катушку L называют катушкой обратной связи. Источником
энергии является анодная батарея. В качестве "клапана", пропус-
кающего в контур энергию в нужный момент, используют триод либо
В момент включения схемы в колебательном контуре возникают
малые случайные колебания. За счет индуктивной связи эти колеба-
ния передаются на сетку триода и усиливаются. Усиленные лампой
колебания через анодную цепь попадают в контур в резонанс с те-
ми, которые там уже существуют и амплитуда колебаний возрастает.
Так будет лишь в случае определенного фазового соотношения между
колебаниями в контуре и изменением напряжения сетки. Обратная
связь должна быть положительной.
Схема генерирует колебания, частота которых равна частоте
собственных колебаний контура Lк Cк. Изменять эту частоту можно,
меняя параметры контура - C и L. Удобнее Cк. Элементы Rc Cc слу-
жат для создания на сетке напряжения смещения в цепях правильно-
Рассмотрим работу генератора при установившихся колебаниях,
когда активное сопротивление колебательного контура = 0, то есть
контур идеальный. В идеальном колебательном контуре при возбуж-
денных колебаниях на пластинах конденсатора образуется перемен-
ное напряжение Uк, поддерживающее ток Jк колебательного контура
(рисунок). Ток Jк запаздывающий по фазе относительно напряжения
Uк на L п/2, наводит в катушке связи э.д.с. индукции Eк, которая
в свою очередь запаздывает по фазе относительно тока Jк еще на L
п/2 и, следовательно, по отношению к напряжению Uк находится в
противофазе (пунктир). Однако вследствие обусловленного выше по-
рядка подключения концов катушки Loc к сетке и катоду лампы фаза
э.д.с. индукции изменяется на обратную и потенциал Uс на сетке
лампы оказывается в фазе с напряжением Uк.
Потенциал Uс на сетке вызывает соответствующие пульсации
анодного тока, который может рассматриваться как состоящий из
постоянной Jао и Jа_ переменной составляющих. Последняя имеет
такую же частоту, как и напряжение Uк и находится с ним в фазе.
Для получения незатухающих коле-
баний в автогенераторе необходимо:
1) условие выполнения фазовых соотношений,
2) чтобы приток энергии к контуру
за некоторое время был больше по-
Подобный генератор может быть выполнен на полупроводниковом
триоде. Принцип его работы аналогичен.
На практике колебательный контур включается в цепь сетки.
Активное сопротивление нагрузки вместе с катушкой связи в гене-
раторе включено в анодную цепь лампы (рисунок).
В подобном генераторе в колеба-
тельном контуре почти не происхо-
дит потерь энергиии ток Jк в нем
является только возбудителем пере-
менного потенциала на сетке лампы,
Потенциал изменяется в фазе с напряжением Uс конденсатора
контура. Анодный ток проходит по катушке K, которая связана ин-
дуктивно, с одной стороны, с катушкой L колебательного контура
(для поддержания колебаний в нем), с другой стороны, с катушкой
Lн нагрузочного контура, на сопротивлении Rн которого происходят
основные потери энергии. Эти потери компенсируются непосредс-
твенно переменной составляющей анодного тока, которая питает
этот контур путем индукции между катушками K и Lн.
Если требуется значительная мощность колебаний, то применя-
ется двухтактный генератор (рисунок).
В нем к колебательному контуру
каждый через соответствующую по-
ловину катушки контура. Для этого
положительный полюс источника пи-
тания включается к средней точке
катушки, отрицательный - к общей
точке катодов ламп. Катушки К1 и К2 связи соединены вместе, и их
средняя точка через сопротивление Rс (смещения) подключена к об-
щей точке катодов ламп. Активное сопротивление контура Rк1 и Rк2
считаем включенными последовательно с каждой из половин катушки
Принципиальная схема двухтактного генератора напоминает
Самовозбуждение колебаний в генераторе основано на практи-
чески неизбежной несимметрии электрических параметров схемы, в
связи с чем в начальный момент при включении источника питания
токи, протекающие по каждой из половин катушки контура, не будут
абсолютно одинаковы. Это обусловливает образование на концах ка-
тушки L хотя бы небольшой разности потенциалов, которая послужит
для начальной зарядки конденсатора C контура. Затем в процессе
колебаний это напряжение быстро возрастает до нормальной величи-
Рассмотрим рабочий процесс при уже возбужденных колебаниях.
Ток Jк колебательного процесса (реактивная составляющая тока в
контуре) через катушки связи индуктирует на сетках ламп перемен-
ные потенциалы Uс1 и Uс2, которые обусловливают образование пе-
ременных составляющих Jа1_ и Jа2_ анодных токов ламп (активная
составляющая тока в контуре). Колебания потенциалов Uс1 и Uс2, а
следовательно, токов Jа1_, Jа2_ и напряжений Ur1_, Ur2_ на соп-
ротивлениях Rк1 и Rк2 находятся в противофазе, причем токи Jа1_
и Jа2_ протекают по сопротивлению Rк1 и Rк2 в противоположных
направлениях, поэтому напряжения Ur1 и Ur2 образуют совместно
общее напряжение Uк, которое в данном случае и поддерживает ко-
лебания в контуре. Токи Jа1_ и Jа2_ компенсируют потери энергии
на активном сопротивлении контура. В результате в колебательном
контуре реализуется удвоенная мощность сравнительно с однотакт-
ным генератором на такой же лампе.
Электрические колебания, резко отличающиеся по форме от си-
нусоидальных, называются релаксационными.
Простейшее устройство для получения релаксационных электри-
ческих колебаний состоит из газоразрядной лампы и включенного
параллельно ей конденсатора С, который через сопротивление подк-
лючены к источнику постоянного напряжения.
Газоразрядная лампа характеризуется тем, что она зажигается
при некотором относительно высоком напряжении Uзаж. и гаснет при
значительно меньшем Uгаш. В данном случае U должно быть больше
Uзаж., тогда по мере заряда конденсатора напряжение Uс на нем
постепенно нарастает до значения Uзаж., в этот момент лампа за-
жигается, ее сопротивление резко падает, конденсатор быстро раз-
ряжается через лампу. Когда напряжение на нем снизится до Uгаш.,
лампа погаснет, сопротивление ее вновь возрастет, конденсатор
будет снова заряжаться и т.д. График напряжения на зажимах лампы
имеет пилообразный характер, изменяясь в переделах от U1 = Uзаж.
до U2 = Uгаш. Период колебаний обусловлен в основном постоянной
времени t = RC заряда конденсатора, а также соотношением между
Uзаж. и Uгаш. газоразрядный лампы.
Генератор развертки в осциллографе.
Подобное пилообразное напряжение используется для развертки
изображения в электроннолучевой трубке. Для возможности регули-
ровки частоты колебаний в генераторе развертки применяется газо-
наполненный триод - тиратрон. В тиратроне напряжение зажигания,
а следовательно, и частота пилообразных колебаний регулируется
путем изменения отрицательного потенциала смещения, которое по-
Генератор электрических колебаний составляет основу многих
физиотерапевтических аппаратов. Существенной особенностью этих
аппаратов является отдельный колебательный контур, к которому
подключаются электроды, накладываемые на больного. Этот контур
Терапевтический контур в целях безопасности больного индук-
тивно связан с контуром генератора, так как индуктивная связь
исключает возможность случайного попадания больного под высокое
постоянное напряжение, которое практически всегда имеется в ге-
В связи с тем, что в терапевтический контур включаются раз-
личные объекты, например различные части тела больного, и его
электрические параметры могут соответственно изменяться, этот
контур должен подстраиваться в резонанс при каждой процедуре.
Для этого в нем имеется конденсатор переменной ёмкости.
Понятие о триггере и его использовании.
Триггеры относятся к логическим элементам ЭЦВМ. По схеме и
принципу действия триггер в значительной мере подобен мультивиб-
ратору, но отличается от него тем, что оба его крайних состояния
являются устойчивыми и переход из одного в другое (соприкоснове-
ние триггера) происходит только под действием внешних импульсов,
подаваемых на базу одного из транзисторов.
Триггер имеет два входа S и R и два выхода a и a, условное
Для сравнения (опрокидывания) триггера надо на его вход "S"
подать положительный импульс (при транзисторах "р-n-р").
Триггеры используются в регистрах, дешифраторах и счетчиках.
Первичное действие постоянного тока
Первичное действие постоянного тока
1. Механические волны, их виды и скорость распространения.
Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах уха человека. Физика слуха.
Поглощение и отражение звуковых волн. Реверберация.
Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
2. Механические колебания: гармонические, затухающие и вынужденные колебания.
Дифференциальное уравнение гармонического колебания.
Энергия при гармоническом колебании.
Вынужденные колебания. Резонанс.
Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.
Сложное колебание и его гармонический спектр.
Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний.
Ультразвук. Методы получения и регистрации.
Источники и приемники акустических колебаний и ультразвука.
Эффект Доплера и его применение для неинвазивного измерения скорости кровотока.
Вибрации, их физические характеристики
1. Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи
Внутреннее трение (вязкость) жидкости. Формула Ньютона.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Методы определения вязкости жидкости.
Реологические свойства крови, плазмы и сыворотки. Факторы, влияющие на вязкость крови в организме.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА. ДИФРАКЦИЯ НА ЩЕЛИ
В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧАХ.
Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями. Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны и размеров неоднородностей.
Различают с некоторой степенью условности дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифракцию плоскопараллельных волн (дифракция Фраунгофера).
Расчет и объяснение дифракции света можно приближённо сделать, используя принцип Гюйгенса-Френеля.
Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени.
Френель дополнил это положение Гюйгенса, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В таком обобщённом виде эти идеи получили название принципа Гюйгенса-Френеля.
На узкую длинную щель, расположенную в плоской непрозрачной преграде МN, нормально падает плоскопараллельный пучок монохроматического света. Ширина щели АВ = а, L - собирающая линза, в фокальной плоскости которой расположен экран Э для наблюдения дифракционной картины.
Если бы не было дифракции, световые лучи, пройдя через щель, сфокусировались бы в точке О, лежащей на главной оптической оси линзы. Дифракция света на щели существенно изменяет явление.
Будем считать, что все лучи пучка света исходят от одного удалённого источника и следовательно, когерентны. АВ есть часть волновой поверхности, каждая точка которой является центром вторичных волн, распространяющихся за щелью по всевозможным направлениям. Мы рассматриваем только вторичные волны, распространяющегося пучка и нормали решётки. Линза соберёт эти волны в точке О экрана, где и будет наблюдаться их интерференция.
Разделим
фронт волны в щели на части или зоны
(зоны Френеля) так, чтобы разность хода
между крайними лучами в зоне равнялась
, то есть АС
= СD =
;
АА=АВ
-
равные зоны Френеля.
Число зон,
укладывающихся в щели, зависит от длины
волны
и угла
. Если щель АВ
будет разбита при построении на нечётное
число зон Френеля, а АD
- на нечётное число отрезков равных
,
то в точке О
наблюдается максимум интенсивности
света:
где k = 1, 2, . . . Направление = 0 также отвечает максимуму, так как все вторичные волны придут в О в одинаковой фазе.
Если щель АВ будет разбита на чётное число зон Френеля, то наблюдается минимум интенсивности света:
,
где k = 1,2, . . .
Таким образом, на экране Э получится система светлых (максимум) и тёмных (минимум) полос, центром которых соответствуют условия (1) и (2), симметрично расположенных влево и вправо от центральной ( = 0), наиболее яркой полосы. Интенсивность I остальных максимумов убывает по мере удаления от центрального.
Если щель освещать белым светом, то на экране Э согласно (1) и (2) образуется система цветных полос, лишь центральный максимум будет сохранять цвет падающего света, так как в направлении = 0 усиливаются все длины волн.
1) << a , тогда , то есть sin 0 практически для всех максимумов, и дифракция при этом не наблюдается. Этот случай соответствует достаточно широкой, по сравнению с длиной волны, щели.
2) а << , тогда , отсюда /sin / 1, это означает, что при а вместо системы максимумов и минимумов весь экран будет слабо освещён.
Дифракция решётки. Дифракционный спектр.
Дифракционной решёткой называется совокупность большого числа одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей.
Расстояние “с” между серединами соседних щелей называется постоянной или периодом решётки.
Если на решётку падает пучок когерентных волн, то вторичные волны, идущие по всевозможным направлениям, будут интерферировать, формируя дифракционную картину, которая состоит из множества минимумов и максимумов, различных по интенсивности.
Наиболее интенсивными являются максимумы, которые образуются в результате интерференции лучей, отклонившихся во всех щелях от прямого направления на одинаковый угол :
с = а + в;
= с sin = k (I)
k = 0, 1, 2, . . . - порядок главных максимумов.
Эта формула определяет положения максимумов интенсивности, называемых главными.
Максимум нулевого порядка только один, максимумов первого, второго и т.д. порядков бывает по два.
Амплитуда световых колебаний в каждом из главных максимумов пропорциональна числу N щелей:
Аmax = NA ,
где А - амплитуда колебания, посылаемого щелью под углом .
Возведя в квадрат, получим, что интенсивность света главных максимумов Imax пропорциональна в направлении одной щелью:
Imax = N2I .
Условие минимума для решётки определяется условием:
а sin = k (k = 1, 2, 3, . . .) (1)
Кроме минимумов, определяемых условием (1), в промежутках между соседними главными максимумами имеется по (N-1) добавочному минимуму. Эти минимумы возникают в тех направлениях, для которых колебания от отдельных щелей взаимно погашают друг друга. Направления добавочных минимумов определяются условием:
(2)
(k = 1, 2, . . . , N-1, N+1, . . . , 2N-1, 2N+1, . . .)
[k принимает все целочисленные значения, кроме 0, N, 2N, . . . , то есть кроме тех, при которых условие (2) переходит в (1)].
Между дополнительными минимумами располагаются слабые вторичные максимумы. Число таких максимумов, приходящиеся на промежуток между соседними главными максимумами, равно N-2. Соответствующий расчёт даёт, что интенсивность вторичных максимумов не превышает (4-5%) интенсивности ближайшего главного максимума.
В связи с образованием большого числа дополнительных максимумов главные максимумы в спектре решётки значительно более узкие и резкие, чем максимумы в спектре одной щели, и тем более узкие и резкие, чем больше N щелей решётки.
Если на решётку падает белый свет, то положения главных максимумов одного и того же порядка (кроме нулевого) для лучей с различной длиной волны будут разными, в результате чего каждый максимум будет состоять из системы спектрально окрашенных полос (фиолетовый к центру, наружный - красный). В этой связи дифракционные максимумы принято называть дифракционными спектрами, а число “k” - порядком спектра.
Дифракционная решётка используется для изучения спектров. Основными характеристиками любого спектрального прибора являются его дисперсия и разрешающая способность.
Дисперсия определяет угловое или линейное расстояние между двумя спектральными линиями, различающимися по длине волны на единицу. Угловой дисперсией называется величина:
.
d - угловое расстояние между двумя линиями спектра, отличающимися по длине волны на d.
Продифференцировав получаем:
с cos d = kd.
Из последних двух равенств имеем:
D = k/(c cos).
Так как обычно используют небольшие углы, то cos 1,
.
Угловая дисперсия тем выше, чем больше порядок “k” спектра и чем меньше постоянная с решётки.
Разрешающая сила определяет минимальную разность длин волн, при которой две линии воспринимаются на спектре раздельно.
Возможность различить (то есть раздельно воспринимать) две близких спектральных линии зависит не только от расстояния между ними (которое определяется дисперсией прибора), но и от ширины линий, которые могут накладываться друг на друга. Этот вопрос не только физический, но и физиологический, так как связан с восприятием светового ощущения.
Согласно критерию, предложенному Релеем, спектральные линии считаются полностью разрешёнными, если середина одного максимума совпадает с краем другого. В этом случае минимум между линиями составляет около 80% от максимумов. Такое взаимное расположение максимумов получается при определённом (для данного прибора) значении .
Разрешающей силой спектрального прибора называют безразмерную величину:
.
Разрешающая сила (способность) дифракционной решётки тем больше, чем больше порядок “k” спектра и числа “N” штрихов:
R = kN .
Дифракционные решётки бывают прозрачные и отражательные. Прозрачные решётки изготавливаются из стеклянных или кварцевых пластинок, на поверхность которых с помощью специальной машины наносятся алмазным резцом ряд параллельных штрихов. Промежутки между штрихами служат щелями.
Отражательные решётки наносятся алмазным резцом на поверхность металлического зеркала. Теория отражательной дифракционной решётки ничем не отличается от теории прозрачной решётки.
Лучшие решётки имеют до 1200 штрихов на 1 мм (с 0,8 мк).
Дифракция электромагнитных волн на пространственных структурах - основа рентгеноструктурного анализа.
Рентгеноструктурный анализ биологических молекул.
Дифракция света может наблюдаться не только на плоских (щель, отверстие), но и на пространственных (трёхмерных) структурах, обнаруживающих периодичность по трём не лежащим в одной плоскости направлениям. Подобными структурами являются все кристаллические тела. Однако период их (~ 10-8 см) слишком мал для того, чтобы можно было наблюдать дифракцию в видимом свете. Условие d выполняется в случае кристаллов лишь для рентгеновских лучей. Впервые дифракция рентгеновских лучей от кристаллов наблюдалась в 1913 году в опыте Лауэ, Фридриха и Книппинга (Лауэ принадлежит идея, остальным авторам - практическое осуществление опытов).
Выделенный диафрагмами узкий пучок излучения от рентгеновской трубки направлялся через кристалл на фотопластинку. На ней кроме центрального пятна, соответствующего прямому направлению лучей, была обнаружена система правильно расположенных пятнышек, положение которых отражало структуру кристалла. Подобную картину называют лауэграммой.
Русский учёный Ю.В.Вульф и английские физики У.Г. и У.Л. Брэгги (отец и сын) вывели простое соотношение, связывающее направления дифракционных максимумов с расстоянием между плоскостями расположения атомов в решётке кристалла.
Плоские вторичные волны, отразившиеся от разных атомных слоёв, когерентны и будут интерферировать между собой подобно волнам, посылаемым в данном направлении различными щелями дифракционной решётки, образуя в определенных направлениях максимумы. Эти направления определяются условиями:
2l sin = k (k = 1, 2, . . .) - соотношение называется формулой Вульфа-Брэгга.
Дифракция рентгеновских лучей от кристаллов находит два основных применения.
1) Она используется для исследования спектрального состава рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия).
2) Для изучения структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ).
В методе структурного анализа, предложенном Лауэ, пучок рентгеновских лучей со сплошным спектром направлен на неподвижный монокристалл. Для каждой системы слоёв, достаточно густо усеянных атомами, находится в излучении длина волна, при которой выполняется условие Вульфа-Брэгга. Поэтому на поставленной за кристаллом фотопластинке (после проявления) получается совокупность чёрных пятнышек. Взаимное расположение пятнышек отражает симметрию кристалла. По расстояниям между пятнышками и по их интенсивности удаётся найти размещение атомов в кристалле и расстояние между ними.
В методе структурного анализа, разработанном Дебаем и Шерером, используются монохроматическое рентгеновское излучение и поликристаллические образцы. Исследуемое вещество измельчается в порошок, из которого прессуется образец в виде проволочки. Образец устанавливается по оси цилиндрической камеры, на боковую поверхность которой укладывается фотоплёнка. В огромном количестве беспорядочно ориентированных кристалликов найдётся множество таких, для которых окажется выполненным условие Вульфа-Брэгга, причём дифрагированный луч будет для разных кристалликов лежать во всевозможных плоскостях. В результате для каждой системы атомных слоёв и каждого “k” получится не одно направление максимума, а конус направлений, ось которого совпадает с направлением падающего пучка. Получающаяся на плёнке картина (дебаеграмма) имеет вид окружностей или дуг.
рисунок
Расшифровка рентгенограммы позволяет определить структуру кристалла.
Дифракцию рентгеновских лучей наблюдают также при рассеянии их аморфными твёрдыми телами, жидкостями и газами. В этом случае на рентгенограмме получаются широкие и размытые кольца.
Дозиметрия ионизирующего излучения. Поглощенная и экспозиционная дозы. Мощность дозы. Связь мощности дозы и активности. Дозиметрические приборы.
Дозиметрией называют раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором излучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.
Вначале развитие дозиметрии было обусловлено необходимостью учета действия рентгеновских лучей на человека.
Ионизирующее излучение оказывает действие на вещество только тогда, когда оно взаимодействует с частицами, входящими в состав этого вещества. Поэтому часть излучения, которая проходит данное вещество (без поглощения) действия на него не оказывает.
Основной характеристикой действия ионизирующего излучения на вещество является энергия ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы вещества за время облучения. Эту характеристику называют поглощенной дозой излучения Дn.
Единицей измерения поглощенной дозы в СU является 1 Дж/кг. Внесистемная единица поглощенной дозы 1 рад (radiation absorbed dose)
(1 рад = 10-2Дж/кг = 100 эрг/г).
Поглощенная доза зависит как от природы и свойств излучения (от энергии частиц), так и от природы вещества, в котором оно поглощается.
Непосредственное измерение поглощающей дозы в веществе, в глубине тканей живого организма затруднительно. Поэтому оценивают поглощенную телом дозу по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем тело.
Вводят в связи с этим экспозиционную дозу До, которая является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и -лучами. Единицей экспозиционной дозы в СU является /Кл/кг. На практике применяют рентген.
Рентген есть экспозиционная доза рентгеновского или -излучения, при которой в результате полной ионизации в /см3 сухого воздуха (при 00С и 760 мм рт.ст.) образуются ионы. Несущие заряд в одну электростатическую ед. количества электричества каждого знака.
Экспозиционная доза в 1 Рентген соответствует образованию 2,08109 пар ионов в 0,001293г сухого воздуха 1Р=2,5810-4Кл/кг.
Дозу (поглощенную и экспозиционную), отнесенную к единице времени, называют мощностью дозы.
ДП – Поглощенная доза излучения – отношение энергии ионизирующего излучения, поглощенного облучаемой средой, к массе этой среды.
«СU» - Грей (Гр)
Внесистемная – рад
Грей – единица поглощенной и эквивалентной доз ионизирующего излучения в «СU», равная 1 Дж/кг (названа в честь английского ученого С. Грея – 1670-1736 гг.)
Рад – внесистемная единица поглощенной дозы излучения, равная 0,01Дж/кг = 0,01Гр.