|
Ответы к коллоквиуму по физике. 1 Какие процессы называются колебательными Гармонические колебания. Уравнение и график гармонических колебании. Частота колебаний. Укажите на графике амплитуду, период колебания, начальную фазу
№ 10 Квантовая механика как метод познания микромира. Корпускулярно-волновой дуализм. Энергия фотона. Длина волны де Бройля. Соотношение неопределенностей в квантовой механике.
Квантовой механикой называют теорию устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц. В физике в течении многих лет господствовала теория, согласно которой свет есть электромагнитная волна. Однако после работ Планка ( тепловое излучение), Эйнштейна (фотоэффект) и др…стало очевидным, что свет обладает корпускулярными свойствами. Необходимо рассматривать свет как поток частиц – фотонов.
Фотон – элементарная частица движущаяся со скоростью света, обладающая волновыми свойствами и имеющая энергию Е = hню, где ню – частота световой волны.
По де Бройлю, движение электрона описывается волновым процессом с характеристической длиной волны λ=h/p(импульс)=h/mV. Корпускулярно-волновой дуализм: Волны обладают свойствами частиц, а частиц – свойствами волн. Это означает что ряд явлений можно было успешно интерпретировать на язык волновой теории света, а др. явления требовали для объяснения привлечения корпускулярный представлений. Соотношение неопределенностей: Предложены Гейзенбергом. Пусть одновременно измеряют положение и импульс частицы, при этом неопределенности в измерении координаты и проекции импульса на эту координатную ось например Х, равны соответственно X и Px. (связаны зависимостью).Соотношением неопределенности:  Чем точнее определена координата Х, тем менее точно определена соответствующая проекция импульса Px и наоборот.
|
№ 11 Законы теплового излучения Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина. Спектр излучения абсолютно черного тела.
Только одно электромагнитное излучение присуще всем телам – это излучение нагретых тел – Тепловое излучение. Оно возникает при любых температурах выше 0 кельвина.
Спектр излучения тела – зависимость спектральной плотности энергетич. Совместимости от длины волны.
Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют – коэффициентом поглощения, равные отношению потока излучения, поглощенного упавшего на него. Тело, коэф.поглощения которого равен единице для всех длин волн\частот) называют ЧЕРНЫМ. Оно поглощает все падающее на него излучение, при любой температуре.
З акон Кирхгофа: При одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в т.ч. и для черных.
И злучение черного тела имеет сплошной спектр. Черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а квантами.  Закон Стефана—Больцмана: Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической т-ры. Величину б называют постоянной Стефана – Больцмана б = 6 *10 -8 Для челов. Тела – 306 к. Закон Стефана – Больцмана можно качественно проиллюстрировать на разных телах (печь, электроплита) по мере их нагревания ощущается все более интенсивное излучение. Закон смещения Вина: Лямда мах – длина волны на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела b = 0.289 * 10 -2 м2 * К – постоянная Вина. ЗАКОНЫ С-Б и В позволяют регистрируя излучение тел, определить их температуры.
|
№ 12 Энергетические уровни атомов и молекул. Квантовые переходы в атомах и молекулах. Атомные и молекулярные спектры поглощения и излучения.
Энергетические уровни атомов и молекул: Электроны в невозбужденном состоянии заполняют нижние энерг. уровни, а верхние уровни - свободны. Если атом получает энергию в результате столкновения с другими атомами или поглощая квант света, то он переходит в возбужденное состояние и какой-либо электрон атома переходит с нижнего уровня на один из верхних. Через небольшой промежуток времени он возвращается на нижний уровень, испуская квант света определенной частоты. Молекулы состоят из взаимодействующих атомов, внутримолекулярное движение сложнее внутриатомного. В молекуле кроме движения электронов относительно ядер происходит колебательное движение атомов около их положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Электронному, колебательному и вращательному движению молекуле соответствует три типа уровней энергии: Еэл, Екол, Евр. Полная энергия молекулы равна: Е=Еэл+Евращ+Екол. Квантовые переходы в атомах и молекулах. Излучение квантов света происходит при переходе атомов с уровней с большими значениями энергии на уровни с меньшими значениями энергии, а поглощение - при обратном процессе. Атомные и молекулярные спектры поглощения и излучения: Атомные спектры – это спектры, получающиеся при испускании или поглощении света (эм – волн) свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают в частности, одноатомные газы и пары. Атомные спектры являются линейчастыми – они состоят из отдельных спектральных линий. Каждая спектральная линия характеризуется определенной частотой колебаний V испускаемого или поглощаемого кванта света.
Молекулярные спектры – это спектры испускания и поглощения, а также комбинационного рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. Молекулярные спектры имеют сложную структуру – полосатые, они наблюдаются в виде совокупности более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях, распадающихся при достаточно разрешающей силе применяемых спектральных приборов на совокупность тесно расположенных линий.
|
|
|
№ 13 Явление поглощения света в веществе. Закон Бугера (вывод), график. Закон Бугера–Ламберта–Бера. Оптическая плотность вещества. Принцип работы спектрофотометра.
Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.
З акон Бугера. Установим закон поглощения света веществом. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx, то ослабление интенсивности dI света этим слоем при поглощении будет тем больше, чем больше толщина слоя и интенсивность света, падающего на этот слой:  где k— натуральный показатель поглощения (коэффициент пропорциональности, зависящий от поглощающей среды и не зависящий в определенных пределах от интенсивности света); знак — означает, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается, т.е. dI < 0. Интегрируя и подставляя соответствующие пределы, получаем: Закон Бугера - Ламберта – Бера:
О  птическая плотность (D) - показатель степени этого уравнения, взятый с обратным знаком. D = ελcl Спектрофотометр. В медицине используется для измерения концентрации белков и нуклеиновых кислот; оценка кровоснабжения тканей на основе измерений степени оксигенации гемоглобина;определение концентрации различных лекарственных средств; Состоит из следующих основных блоков: источника света (И), монохроматора (М), измерительной кюветы(К1) и кюветы сравнения (К2), фотоприемника (Ф), и регистратора (индикатора) (Р). Источник испускает свет (И), монохроматор (М) выделяет из него нужный участок спектра. Далее этоот свет проходит через измерительную кювету(К1), через кювету сравнения(К2). Свет прошедший через кювету регистрируется фотоприемником(ф) и его интенсивность либо записывают каким-либо регистратором, либо отражают на индикаторе. Две кюветы используют для того чтобы исключить паразитные эффекты, связанные с поглощением света в растворителе и его отражением от стенок кювет.
|
№ 14 Оптические квантовые генераторы (лазеры). Инверсная заселенность уровней. Индуцированное излучение. Свойства лазерного излучения, его применение в медицине.
Оптические квантовые генераторы: Лазером – называют устройство, генерирующее когерентые электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в резонатор. Лазер как и всякий генератор, состоит из 3х элементов: 1)Источник энергии, 2)Регулятор, 3) колебательная система Регулятором является система возбуждения энергетических уровней. Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая вынужденные переходы на более нужный уровень с испусканием квантов индуциров. Излучения, является рабочим веществом лазера. Инверс. Населенность соотвествует среде с – показателем поглощения. Индуцированное излучение - вынужденный переход возбужденной частицы на нижний уровень. При этом число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т.е. интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Число вынужденных переходов будет тем больше чем выше населенностью соответствующих энергетических состояний. Свойства лазера: 1) Высокая монохроматичность, 2) Достаточно большая мощность 3) Узость пучка 4) поляризация 5) лучи е расходятся, строго параллельны 6) Когерентность – согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Применение лазера: 1) В хирургие для бескровного разреза сильно кровоточащих тканей. 2) В офтальмологии для приваривания отслоившейся сетчатки. 3) В терапии.Наружное и внутреннее облучение.
|
№ 15 Рентгеновское излучение, его физическая природа. Механизмы характеристического и тормозного рентгеновского излучения.
Р ентгеновским излучением называют Эм – волны с длиной примерно от 80 до 10-5 нм. По способу излучения Р – излучение делится на: Тормозное излучение – В результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомным электроном в веществе антикатода возникает тормозное Р излучение. При торможении электрона лишь часть энергии идет на создание фотона, другая часть расходуется на нагревание анода, т.к. соотношения между этими частями случайно, то при торможении большого кол-ва электронов – возникает Р – излучение с непрерывным сплошным спектром. Характеристическое излучение – увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который соотв. Харак. Р – излуч. Ускоренные большим напряжением электроны проникают вглубь атома и вызывают из его внутренних слоев электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате чего высвечиваются фотоны харак.излуч.
|
|
|
№ 16 Устройство рентгеновской трубки. Коротковолновая граница спектра тормозного рентгеновского излучения. Регулировка жесткости и интенсивности рентгеновского излучения.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двух электродный вакуумный прибор.
- подогретый катод испускает электрон
– анод (антикатод) имеет наклонную поверхность.
Катод подключен к источнику низкого переменного напряжения. При протекании по спирали катода переменного электрич. Тока она нагревается и некоторые свободные электроны получают дополнительную энергию, достаточную чтобы покинуть поверхность катода. Изменение траектории электрона означает появления у него ускорения, а как следует электродинамики Максвела, любой ускоренно движущийся заряд излучает энергию в виде эм – волны.
Коротковолноое Р – излучение – обычно обладает большей проникающей способностью чес длинноволновое и называется жестким, а длинноволновое – мягким( мягкое излучение сильнее поглощается веществом) увеличивая напряжение на рентгенов. Трубке изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость.
Спектр тормозного Р – излучения: Спектр непрерывный, но в нем обнаруживается коротковолновая граница. Она обусловлена тем, что энергия излучающего кванта Р – излучения не может быть больше энергии, которую электрон приобрел в ускоряющем поле.
|
№ 17 Закон ослабления интенсивности рентгеновского излучения, график. Линейный коэффициент ослабления. Физические основы получения рентгеновских снимков в медицине.
Э ффекты Re-излучение обусловливают ослабление интенсивности рентгеновского излучения в веществе. В простейшем случае закон ослабления имеет вид:
где I0 — интенсивность рентгеновского излучения, падающего на вещество; I1 - интенсивность рентгеновского излучения, прошедшего в веществе слой длины I; μ — линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом.
б -зависимость интенсивности рентгеновского излучения, прошедшего в веществе слой толщины 1, от толщины этого слоя 1; d0,5 - толщина слоя половинного ослабления. Коэффициент ослабления играет важную роль в диагностике заболеваний различных внутренних органов при помощи просвечивания тела рентгеновскими лучами (рентгенодиагностика). При этом важную роль играет зависимость линейного коэффициента ослабления от свойств тканей и вытекающее из него различное поглощение рентгеновского излучения различными тканями и органами тела. В большинстве случаев этот коэффициент прямо пропорционален средней плотности ткани р, третьей степени длины волны рентгеновского излучения Xи, что самое для нас важное, третьей степени порядкового номера атома вещества, составляющего ткань, — Z: 
Получение рентгеновских снимков. Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая или ослабляя излучение, образует на экране тень. По характеру этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов.
|
№ 18 Принцип рентгеновский компьютерной томографии. Рентгеновский томограф, его устройство. Основные отличия рентгеновской томограммы от рентгеновского снимка.
Рентгеновские компьютерные томографы – Это комплекс аппаратуры, предназначенный для неинвазивного получения послойных изображенй внутреннего строения органов человека или организма в целом. Рассмотрим две идеи, лежащие в основе метода компьютерной томографии. Во-первых, авторы предложили получать изображения органов в тех или иных срезах (поперечных сечениях), а затем при необходимости из полученных срезов «собирать» объемное изображение объекта. Во-вторых, авторы предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон.
П ринципиальная техническая модель томографа представлена на рис.: на нем изображены система неподвижных датчиков и вращающийся источник рентгеновского излучения, что позволяет просвечивать по нескольку раз одни и те же ткани и учитывать соответствующие коэффициенты ослабления малых квадратов, на которые разбита поверхность обследуемого среза, много раз. Когда число уравнений становится равным числу неизвестных (это и есть число малых квадратов, на которые ЭВМ разбивает исследуемый срез объекта), ЭВМ решает их и раскрашивает изображения с той или иной яркостью в зависимости от полученного значения μ. После получения изображения органа в разных срезах можно восстановить и его объемное изображение.
Отличие томограммы от обычного рентгеновского снимка. Просвечиваясь много раз под самыми разными углами, выделенная квадратом область среза объекта автоматически «записывает» свой коэффициент ослабления сразу в несколько уравнений, ЭВМ определяет его значение и раскрашивает с определенной яркостью. В таком рисованном при помощи ЭВМ изображении по результатам предварительных расчетов коэффициентов ослабления принципиально не может быть наложения изображений одних органов на другие (что имеется на обычном рентгеновском снимке) и есть возможность добиться более высокой, чем при обычной методике, контрастности (Δμ / μ 0,001).
| |
|
|
Скачать 5.18 Mb.