Билеты по биомедицинская физике с ответами. билеты физика. . Так как sqrt E то
 Скачать 0.9 Mb.
|
6. Ф=p*∆C;p=D/h;Ф=D/h*∆C;∆С=Ф*h/D=1*10*10 -9 /2*10 -4 =0,005 мМ БИЛЕТ 1.Вынужд(индуциров) излуч–испуск фотонов частоты V возбужденны атомами, молекулами и др квантовыми системами под действ фотонов (внешн излуч) такой же частоты. Вынужд излуч, возник вследствие стимулированного внеш резонансным электромагнитным излуч перехода квантовой системы из возбужд сост в основное. Оно сопровожд излуч кванта hv резонансного излуч, кот по всем своим хар-кам (частоте, направлению излуч, поляризации и фазе) не отлич от стимулирующего излуч. Вероятность вынужд излуч пропорц интенсивности падающего излуч, те. числу квантов N0, падающих на сист вед времени, а также населенности n₂ верхнего уровня Nвын = В , где В – коэфф Эйнштейна. Вынужд излучение по всем хар-кам совпадает спадающим (стимулирующим) излуч, поэтому вынужденно испущенный квант невозможно отличить от кванта вынуждающего излучения. Если на квантовую сист в единицу времени падает N 0 резонансных квантов (hv=E 2 -E 1 ), то часть их поглощается N погл =BN 0 n 1 , а часть таких же квантов испускается N вын =BN 0 n 2 . Тогда кол-во квантов, направленно прошедших за единицу времени сквозь такую среду про -BN 0 n 1 +BN 0 n 2 = N 0 +(n 2 - n 1 )BN 0 . Усиление падающего излучения происходит, если про, те. n 2 >n 1 . Если создать в среде инверсную заселенность n 2 >n 1 , то такая среда – активная или усиливающая. Лазеры источники электромагнитного излуч, основанные на явл вынужд излуч квантовых систем. Вынужденное излучение возникает под действием внешнего резонансного излучения (затравочного кванта. Любой лазер состоит из 3 компонентов активной среды системы накачки, обеспечивает инверсную населенность между рабочими уровнями энергии активной среды резонатора, - специальной системы зеркал, формирующей обратную оптическую связь. Основные св-ва: высокая направленность – определяется св-ми резонатора, тк max усиливается лишь излучение, распространяющееся перпендикулярно его зеркалам высокая монохроматичность – определяется длиной волны и шириной линии люминесценции активной среды, а в пределах ширины этой линии – св-вами резонатора высокая когерентность – является следствием когерентных св-в вынужденного излучения высокая спектральная плотность мощности – отношение интенсивности лазерного излучения к ширине спектральной линии излучения. Фотобиологические процессы начинаются с поглощения света биологич системами, и заканч опред физиологич р-цией орг-ма. Позитивные фотобиологич эффекты зрение, фотопериодизм, образование витамина Д из его провитаминов. Негативным фотобиологические процессы Фототоксические эффекты световые повреждения глаз и кожи, помутнения хрусталика, пигментации кожи бактерицидное действие (мб и положит канцерогенное действие уф излучения. Фотоаллергические эффекты - увелич чувствительности орг-ма в некоторым аллергенам под действием света. Метод фотодинамической терапии основан на введении в орг-зм фотосенсибилизаторов (ФС). Освещение патологич ткани излуч вызывает люминесценцию ФС и показывает области патологич изменен, что исп в диагностике. С лечебной целью пораженные участки ткани, насыщенные ФС, облучают видимым излучением средней мощности и определенного спектрального диапазона, обычно используют лазер мощностью 1-2 Вт. Облученный ФС переходит в возбужденное активное состояние и стимулирует переход обычного (триплетного) кислорода в синглетный кислород, который является мощным окислителем. В рез-те патологические клетки, накопившие ФС, погибают Низкоинтенсивное (10 мВт) красное излучение гелий-неонового лазера (λ=633 нм) обладает биостимул св-ми и это широко используется для лечения патологий дерматозов, трофических язв, гнойных ран, ожогов. Импульсное излучение (н мс) твердотельных лазеров на рубине (λ=694 нм) широко исп в офтальмологии при проведении бескровных хирургических операций на сетчатке глаза, а также в микрохирургии переднего отдела глаза. Лазерное изучение средней мощности используется и для удаления опухолей. В последние годы в онкологии используют лазерное излучение небольшой интенсивности (1 Вт) в сочетании с ФС для лечения опухолей методами фотодинамической терапии. Лазерное излучение используют также для внутриполостных воздействий на стенки и слизистую полых органов, и сосудов путем применения эндоскопической техники. 2. Радиоактивность – св-во некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием элементарных частиц. Альфа-распад имеет линейчатый энергетический спектр и сопровождается испусканием частицы (ядра атома гелия He). При этом ядро элемента X, имеющего порядковый номер Z и массовое число А превращается в ядро нового элемента Y и может сопровождаться выделением Екин и испусканием у-квантов. Z A X= Z-2 A-4 Y+ 2 4 α+y+E. Бета электронный или - распад происходит с испусканием электрона Z A X= Z+1 A Y+ -1 0 β+y+ 0 0 ṽ. Является следствием внутриядерного превращения нейтрона в протон с испусканием антинейтрино 0 1 n= 1 1 p+ -1 0 β + 0 0 ṽ; Пример 53 131 I= 54 131 Xe+ -1 0 β+y+ 0 0 ṽ. Бета-плюс распад состоит в самопроизвольном испускании ядром позитрона и нейтрино Z A X= Z-1 A Y+ +1 0 β+y+ 0 0 v. Является следствием внутриядерного превращения протона в нейтрон с испусканием нейтрино 1 р 1 n+ +1 0 β + 0 0 v. Электронный захват – ядро захватываете из электронной оболочки собственного атома (чаще из оболочки К. При этом обязательно излучается квант характеристического рентгеновского излучения Z A X+ -1 0 β= Z-1 A Y+ 0 0 v +y+R изл . Происходит внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием антинейтрино 1 р 0 β= 0 1 n+ 0 0 v. 3. Если падающий свет не поляризован, то отражённая и преломлённая волны будут поляризованы частично. Степень их поляризации будет зависеть от угла падения α: по мере его увеличения степень поляризации отраженного света растёт и при определённом угле падения αБр , называемом углом Брюстера (углом полной поляризации) отраженная волна будет полностью линейно поляризована так, что ее электрический вектор будет перпендикулярен плоскости падения (и параллелен плоскости раздела сред. Угол Брюстера находится из соотнош: tg брюст =n2/n1 где n1 и n2 – абсол пок-ли преломления первой и второй сред. 4. Электрохим потенциал – свободная энергия 1 моля в-ва. Свободная энергия – тот термодинамический потенциал, который определяет способность какой-либо физико-хим системы совершать полезную работу. µ=µ 0 +RTlnC+zFφ, где µ 0 - часть хим потенциала 1 моля р-ра, определяется энергией хим связи растворённого в-ва с растворителем С- концентрация в-ва; φ – электрический потенциал р-ра; Z – заряд F- число Фарадея, R газовая постоянная Т температура р-ра. Если по обе стороны мембраны µ e ≠µ i – система термодинамически неравновесна и на мембране, толщиной d, возникает градиент электрохимического потенциала dµ e /dx=∆µ/h, толщина мембраны. Любая закрытая система стремится к состоянию термодинам равновесия µ e =µ i . Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное сопровождается пассивным транспортом в-ва (диффузией) из области большего значения электрохим. потенциала в область меньшего. Этот процесс описывается уравнением Теорелла: Ф = -CUdµ/dx. Ф – плотность потока диффузии U подвижность в-ва. Перенос в-ва возможен только в термодинамически неравновесной системе и градиент электрохим. потенциала является той силой, которая выполняет работу по пассивному транспорту в-ва. «-» указывает на то, что транспорт происходит всегда в направлении, которое противоположно градиенту электрохим. потенциала, те. в направлении меньших значений µ, а значит и меньших значений С. Дифференцируя градиент электрохим потенциала, получим dµ/dx=RT1/CdC/dx+ZFdφ/dx, подставим в уравнение Теорелла и получим уравнение Нернста-Планка: Ф -URTdC/dx – CUZFdφ/dx. Первое слагаемое описывает диффузию за счёт градиента концентрации dC/dx на мембране, второе слагаемое описывает электродиффузию, обусловл действием на ионы электрического поля Е, создаваемого на мембране градиентом электрического потенциала. При диффузии незаряженных частиц (Z=0) уравнение Нернста-Планка принимает вид Ф -DdC/dx – уравнение Фика, где D=URT коэф диффузии. Тогда dC/dx=|C i -C e |/h и уравнение Фика примет вид Ф p|C i -C e |, где р – коэф. проницаемости мембраны, С 5. 𝐷 = 20𝑙𝑔 𝑈 вх2 𝑈 вх1 = 20𝑙𝑔 10 0.1 =40Дб, да(ЭКГ U=0,1-5) 6. 𝑅 = ( 𝑍 2 −𝑍 1 𝑍 2 +𝑍 1 ) 2 = ( 𝑝 2𝑉2 −𝑝 1𝑉1 𝑝 2𝑉2 +𝑝 1𝑉1 ) 2 =0.376 Билет 13 1.. Биомембраны состоят из липидов и белков, процентное соотношение которых варьируется (жидкостно-мозаичная модель. Липиды представлены гликолипидами, фосфолипидами и холестеролом. Молекулы липидов состоят из двух физически различных частей - полярной головки и неполярных хвостов (амфифильность). Головки гликолипидов - производные сахаров, фосфолипидов – остатки фосфорной кислоты, а хвосты липидов – остатки жирных кислот. Головки липидов либо электрически заряжены, либо нейтральны, но имеют дипольный момент, те. создают вокруг себя эл поле. Они хорошо взаимодействуют с полярными растворителями (гидрофильная часть липида) Хвосты неполярны и хорошо взаимодействуют с неполярными в-вами и растворителями, но плохо с водой. При слиянии везикул обр обширный двойной слой липидов (структурная основа биологической мембраны. Образование липидного бислоя со встроенными в него белками, происходит самопроизвольно. Его толщина 6-7 нм. Кроме липидов мембраны содержат белки и УВ. Белки подразделяются на 2 класса интегральные и периферические. Интегральные погружены в липидный бислой полностью или частично, а периферические находятся на той или другой пов-ти мембраны (обычно на внутр стороне. УВ могут быть присоединены либо к белкам, либо к липидам, нов любом случае они неизменно располагаются на внешней пов-ти клеточной мембраны и играют важную роль в межклеточных взаимодействиях. Общая толщина клеточной мембраны 8-9 нм. И липиды, и белки в мембране находятся в постоянном тепловом движении энергия которого определяется температурой среды Т и имеет величину порядка Т на одну степень свободы молекулы здесь k - постоянная Больцмана. Переход липидов из одного монослоя в другой (флип-флоп), Пассивный транспорт веществ через биологические мембраны, его виды. Пассивный (не затрачивается метаболическая энергия) является наиболее распространенным способом переноса молекул и ионов через мембрану. Простая диффузия (без обр хим комплекса с другими молекулами 1) Диффузия в-ва за счет его растворения в липидном бислое. Правила Овертона: 1. Проницаемость мембран для орг мол уменьшается по мере увеличения в них числа полярных групп (гидроксильных, карбоксильных, аминных). 2. Проницаемость мембран для орг мол возрастает по мере увеличения в них числа неполярных групп (метиловых, этиловых, фенильных). 2) Облегченная диффузия - перенос с помощью специальных молекул – переносчиков Диффузия – процесс самопроизвольного проникновения в-ва из обл его большей концентрации вобл меньшей концентрации за счет энергии теплового движения. Электрохимический потенциал. Электрохимический потенциал - свободная энергия 1 моля в-ва. Вся полезная работа А, совершающаяся в 1 моле в-ва, осуществляться за счёт уменьшения ее электрохим потенциала (если нет постороннего источника энергии. Для р-ров в-в значение электрохим потенциала описывается выражением µ = µ 0 + RT·lnC + ZFφ, где µ 0 - определяется энергией хим. связи растворённого в-ва с растворителем R – универсальная газовая постоянная Т – абсолютная температура среды С- молярная концентрация растворенного в-ва; φ – электрический потенциал среды Z – заряд растворённых ионов F- число Фарадея.Если значения электрохим потенциала по обе стороны мембраны различны, то система термодинамически неравновесна. При этом на мембране возникает градиент электрохимического потенциала dµ/dx=Δµ/h, где толщина мембраны. Математическое описание пассивного транспорта ионов и незаряженных частиц (уравнения Теорелла, Фика, Нернста-Планка). Проницаемость мембран. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное сопровождается диффузией из области большего значения электрохим потенциала в область сего меньшим значением, пока эти потенциалы не выравняются. Математически процесс переноса в-ва описывается уравнением Теорелла: Ф Уравнение Нернста- Планка, описывающее диффузию ионов через мембрану Ф = -URT (dC/dX ) – CUZF (dµ/dx). Первое слагаемое описывает обычную диффузию за счёт градиента концентрации на мембране. Второе слагаемое описывает электродиффузию, которая обусловлена действием на ионы электрического поля, создаваемого на мембране градиентом эл потенциала. При диффузии незаряженных частиц (Z=0) уравнение Нернста-Планка принимает вид Ф -URTdC/dx – уравнение Фика. Введём коэф. диффузии D=URT, получимФ = -D (dC/dx) , учтём, что dC/dx=|Ci-Ce|/d. Уравнение Фика примет вид Ф D|Ci- Ce|/d= p|Ci-Ce|, где р – коэффициент проницаемости мембраны, |Ci-Ce| - абсолютное значение разности концентраций растворённого в-ва в цитоплпзме (Ci) и межклеточной жидкости (Ce). Пассивный транспорт ионов описывается уравнением Нернста-Планка, а пассивный транспорт незаряженных частиц - уравнением Фика. 2. Средняя вязкость крови, измеренная капиллярным вискозиметром, в норме составляет 4-5 сП. При различных патологиях (анемия, тромбоз) значения η крови могут изменяться от 1,7 до 22,9 сП. Отношение η крови к η воды называют относительной η крови. Η крови зависит от а (η ньютоновских ж-тей не зависит от ус-й течения и при ув t ув η) В норм ус-ях t тела поддерживается постоянной. При повышении t должна уменьшаться и η крови уменьшает нагрузку на сердце при развитии в организме патологических процессов. В переохлажденных участках организма вязкость крови повышается, кровоток затрудняется, ухудшается питание тканей, что ведет к развитию в них патологических процессов. Изм t ведет к изм степени агрегации эритроцитов и др, поэтому влияния t на η неоднозначны. б) Гематокрит (отношение объема эритроцитов к объему крови, в котором они содержатся. В норме 0,4. С повышением ГК η крови возрастает. Увеличение ГК может происходить как из-за увеличения конц эритроцитов, их агрегации, таки за счет увеличения их размеров. η венозной крови выше, чем артериальной (эритроциты венозной крови содержат CO 2 и имеют форму, близкую к сферической, а в артериальной крови эритроциты имеют форму тора и меньший объем. в) Скорость сдвига (градиент скорости. Линейная скорость крови и диаметры кровеносных сосудов в различных участках сосудистой системы изменяются очень сильно. Поскольку кровь является неньютоновской жидкостью, то и ее η, зависящая от скорости сдвига, будет различной в разных отделах системы кровообращения. г) Организация эритроцитов в потоке крови. Если бы по сосуду двигалась однородная ньютоновская жидкость, то скорость ее частиц по оси сосуда была бы максимальной, ау стенок – минимальной. 3. Естественным радиационным фоном называют излучение, создаваемое космическими лучами и естественными радиоактивными веществами, содержащимися в окр среде и теле человека. Важным источником внешнего облучения является попадающее в атмосферу Земли космическое излучение, которое подразделяется на первичное и вторичное. Первичные космические лучи состоят, в основном, из протонов и альфа-частиц высоких энергий (до 1014 МэВ попадающих в земную атмосферу из космического пространства и проникающих до высоты около 20 км над уровнем моря. В результате их взаимод-я с ядрами атомов, входящих в состав земной атмосферы, обр вторичное космическое излучение, достигающее пов-ти Земли и содержащее практически все известные элементарные частицы. В земной коре содержится ряд долгоживущих радионуклидов, которые при своем распаде порождают ионизирующие излучения. Продукты их распада также радиоактивны, а их период полураспада меньше (активность больше) и вклад в естественный радиоактивный фон еще выше. В результате более 60 радионуклидов, содержащихся в биосфере Земли, увеличивают фоновую дозу внешнего облучения в среднем до 0,65 мЗв в год. Фон существенно отличается в различных участках земного шара и зависит от состава горных пород, почвы, наличия вулканических выбросов и т.п. Средняя мощность фоновой экспозиционной дозы на территории Беларуси составляет в норме 10÷12 мкР/час.Производственная деятельность человека (извлечение из недр земли полезных ископаемых, производство минеральных удобрений, сжигание топлива и др) увеличивает в окр среде кол-во естественных радионуклидов и источников ионизирующих излучений. 4. Дифференциальные усилители – у-ва для усиления биопотенциалов, способные уничтожать помеху и усиливать слабые сигналы биопотенциалов на фоне больших помех. - усиливает не сами сигналы, а их разность Uвых = K(Uвх1 – Uвх2) - имеет 2 входа (не- и инвертирующий) и 1 выход если к обоим входам приложить одинаковые по амплитуде и фазе напряжения, тона выходе усилителя будет 0 (оба сигнала скомпенсируют друг друга) Uвых = К·(Uвх2–Uвх1), которая представляет собой усиленное 2-ое отведение ЭКГ, а сигналы помехи взаимно уничтожаются. 5. D= -lgT; 2= -lgT; Т (1%). 6. р σ/R R=1/2d=0.25 мм р Па Билет 14 1. Способность поверхности жидкости сокращаться обусловлена существованием молекулярных сил, стремящихся сократить эту поверхность. Если по поверхности жидкости провести воображаемую линию, то равнодействующая молекулярных сил, действующих на молекулы этой линии по одну из сторон , будет направлена по касательной к поверхности и одновременно перпендикулярно линии возможного разрыва и называется силой п поверхностного натяжения, поскольку именно она и стремится сократить поверхность жидкости. Очевидно, что эта сила пропорциональна числу молекул в линии разрыва, и, следовательно, ее длине l : Fn = σ·l, где σ - коэффициент поверхностного натяжения, выраженный в Нм и численно равный силе пoверхностного натяжения, действующей на единицу длины рассматриваемой линии. Коэффициент поверхностного натяжения зависит только от природы жидкости и ее температуры. Поверхностное натяжение является важнейшей характеристикой поверхности раздела фаз Оно непосредственно влияет на образование мелкодисперсных частиц твердых тел и жидкостей при их распылении, а также на слияние капель или пузырьков в эмульсиях, туманах, пенах, на процессы адгезии. Поверхностное натяжение определяет форму биологических клеток и их частей. Изменение сил поверхностного натяжения влияет на фагоцитоз (захват клетками соседних частиц, пиноцитоз (захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами, на процессы альвеолярного дыхания.Поверхностное натяжение различных веществ составляет от 0,01 до 2,0 Нм у клеток оно не превышает 0,10 Нм. Вещества, понижающие поверхностное натяжение раствора, называются поверхностно-активными веществами ПАВ, сурфактант, снижающий поверхностное натяжение альвеолярных стенок, обеспечивая тем самым возможность дыхания. р, величина которого рассчитывается по формуле Лапласа р где R1 и R2 - радиусы кривизны поверхности жидкости в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Если поверхность жидкости сферическая, то R1=R2=R и добавочное давление равно ∆p=2𝜎𝑅: рвып=р0 + р рвогн=р0 – р Явление смачиванияНа границе раздела жидкости с твердым телом возникают явления смачивания или не смачивания, обусловленные взаимодействиями молекул жидкости с молекулами твердого тела. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости Fж-тв > Fж-ж., то жидкость будет растекаться по поверхности твердого тела, это явление и называют смачиванием. Если же силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости Fж-тв < Fж-ж., то жидкость не будет растекаться по поверхности твердого тела, а будет стремиться к уменьшению своей поверхности, собираясь в каплю. Такое явление называют несмачиванием. Поскольку эти явления определяются относительными свойствам твердого тела и жидкости, то одна и та же жидкость может быть смачивающей для одного твердого тела и не смачивающей для другого. Так, вода смачивает стекло и не смачивает жирную поверхность, а ртуть не смачивает стекло, но хорошо смачивает медь. Поверхности, смачиваемые водой, называют гидрофильными, а не смачиваемые ею – гидрофобными.Явление смачивания имеет важное значение ив быту, ив промышленности, ив медицине. Хорошее смачивание необходимо при крашении, склеивании, пайке и других производственных процессах. Несмачивание важно при гидроизоляции, создании непромокаемых материалов. Капиллярные явленияЯвления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуденазываются капиллярными явлениями. Если жидкость смачивает стенки капилляра, то образуется вогнутый мениск радиуса r, молекулярное давление под которым нар меньше, чем под плоской поверхностью в широком сосуде, сообщающимся с капилляром. Так как молекулярное давление под плоской поверхностью в широком сосуде нар больше, чем в капилляре, то оно выталкивает жидкость в капилляре вверх до тех пор, пока весовое давление образовавшегося столба жидкости высотой h не скомпенсирует добавочное молекулярное давление р р = ρgh, где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения. Если жидкость не смачивает капилляр, то образуется выпуклый мениск, молекулярное давление под которым нар больше, чем в широком сосуде, направлено вниз и вытесняет жидкость ниже исходного уровня на глубину h, удовлетворяющую условию. Таким образом, в капилляре жидкость поднимается (или опускается) на такую высоту h, при которой гидростатическое давление столба жидкости уравновешивает избыточное молекулярное давление, обусловленное кривизной мениска Если радиус кривизны мениска равен R, то, подставляя формулу, получим Из формулы видно, что чем тоньше капилляр и лучше смачивание (меньше θ и больше cosθ), тем выше поднимается жидкость по капилляру. При идеальном смачивании (θ=0, cosθ=1, R=r) высота подъема максимальна. Газовая эмболияС поверхностным натяжением связано и явление газовой эмболии, при котором пузырек газа способен затруднить и даже остановить кровоток в мелких сосудах и лишить кровоснабжения какой-либо орган, что может привести к серьезному функциональному расстройству и даже летальному исходу. Пока диаметр газового пузырька меньше диаметра сосуда, он имеет сферическую форму и движется вместе стоком крови. Воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен, где давление крови ниже атмосферного, при неправильно проведенных внутривенных инъекциях ив других ситуациях. Газовые пузырьки в крови человека и животных могут появиться и прирезком снижении внешнего давления на организм, что обусловлено уменьшением растворимости газов (в первую очередь – азота) в крови и переходом их из растворенного состояния в газообразное вследствие резкого снижения окружающего давления. С подобной проблемой могут столкнуться водолазы при быстром подъеме с большой глубины на поверхность (кессонная болезнь, летчики и космонавты при разгерметизации кабины или скафандра на большой высоте. Электропроводность электролитов - способность р-ров или расплавов электролитов проводить электрич. ток (проводимость электрическая) при приложении электрич. напряжения. Обусловлена движением катионов и анионов, образующихся в результате электролитической диссоциации. Количественные характеристики Э. э. – удельная и эквивалентная электропроводности. Удельная электропроводность χ характеризует электропроводность объёма раствора, заключённого между двумя параллельными электродами, площадью 1 ми расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Эквивалентная электропроводность λ характеризует электропроводность объёма раствора, содержащего 1 моль растворённого вещества, при условии, что электроды находятся на расстоянии 1 м друг от друга |