Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
Если 0 d d , то T b max , где b - постоянная Вина T b max - закон смещения Вина для серых тел. Рис. 30. График зависимости энергии от длины волны. Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно- T 1 Т 1 E λ λ λ 3max λ 2max λ 1max T 3 T 2 Ответы на экзаменационные вопросы 81 красным светом, а при очень высокой температуре - белым с голубова- тым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела. Использую законы излучения можно определить температуру тел по изменениям мощности излучения. У здоровых людей распределение температуры по разным участкам тела достаточно равномерно в пределах выбранного участка. Но при воспалении, опухолях температура в области из локализации изменяет- ся. Достаточно чувствительные датчики ИК - излучения дают возмож- ность с точностью до десятых долей градуса определить распределение температуры в интересующем нас участке кожной поверхности. Так ра- ботают тепловизоры у которых температурное поле в псевдоцвете (каж- дому узкому температурному интервалу соответствует на экране опре- деленный цвет) передается на теле экран. Такому методу диагностики хорошо поддаются подкожные процессы. Тепловидение находит в клинике применение в качестве простого и безопасного метода диагностики различных воспалительных и опухо- левых процессов. 21. Инфракрасное излучение и его применение в медицине. Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине. Инфракрасное излучение представляет собой часть солнечной радиации в диапазоне длин волн от 670 до 3400 нм. Инфракрасное изучение оказывает прежде всего тепловое действие. Кроме того, в настоящее время установлен целый ряд биологических эффектов. Тепловой эффект определяется прежде всего длинной волны. Длинноволновая часть инфракрасного излучения (более 1400 нм) за- держивается поверхностными слоями кожи, благодаря чему происходит их разогрев, появляется чувство жжения. Вследствие такого эффекта длинноволновая часть излучения называется «палящими лучами». При достаточной интенсивности излучения возможна эритема и ожог. Коротковолновая часть излучения проникает в ткани на глубину около 3 см, в результате чего может вызывать разогрев тканей, в том числе мозговых оболочек. Именно воздействием коротковолнового ин- фракрасного излучения обусловлено такое явление как солнечный удар. Кроме того, оно вызывает перегрев и помутнение хрусталика, что ведет к развитию катаракты. Источником инфракрасного (ИК) излучения является любое на- гретое тело. Инфракрасное излучение составляет до 45-50% солнечного излучения, падающего на Землю. В искусственных источниках света (лампа накаливания с вольфрамовой нитью) на его долю приходится 70- 80% энергии всего излучения. Обычно для получения инфракрасного излучения в медицине ис- пользуют специальные инфракрасные лампы, электрические нагрева- Физика стоматологический факультет 82 тельные элементы, квантовые (лазерные) полупроводниковые генерато- ры. Инфракрасные лучи служат средством переноса тепла Происходя- щее при поглощении энергии ИК излучения образование тепла приво- дит к локальному повышению температуры облучаемых кожных покро- вов на 1-2 °С и вызывает местные терморегуляционные реакции по- верхностной сосудистой сети. Сосудистая реакция выражается в кратковременном спазме сосудов (до 30 с), а затем увеличении локального кровотока и возрастании объ- ема цирулирующей в тканях крови. Выделяющаяся тепловая энергия ускоряет тканевой обмен веществ. Активация микроциркуляторного русла и повышение проницаемости сосудов способствует дегидратации воспалительного очага и удалению продуктов распада клеток. Актива- ция пролиферации и дифференцировки фибробластов приводят к уско- рению заживления ран и трофических язв. Также осуществляется ней- рорефлекторное воздействие на внутренние органы, которое проявляет- ся расширением сосудов этих органов, усилением их трофики. Таким образом, основными лечебными эффектами применения ИК является противовоспалительный, лимфодренирующий, сосудорас- ширяющий. Ультрафиолетовое излучение представляет собой часть сол- нечной радиации с длиной волны от 10 до 400 нм. Ультрафиолетовые лучи с длинной волны от 10 до 290 нм не дости- гают земной поверхности. Свойства ультрафиолетового излучения с разной длинной волны неодинаковы. Наиболее короткие волны (от 10 до 200 нм) по своему действию приближаются к ионизирующему излу- чению. Эта область получила название озонирующей. Энергия ультра- фиолетового излучения с длинной волны от 200 до 400 нм не достаточ- на для возбуждения атомов, здесь преобладают фотохимические реак- ции. Для нас наибольшее значение имеет часть спектра от 200 до 400 нм. Эту зону делят на область С - от 200 до 280 нм область В - от 280 до 320 нм область А - от 320 до 400 нм Область С называют бактерицидной. Преимущественным дейст- вием ультрафиолетового излучения в этой области является бактери- цидное действие, что широко используется для обеззараживания воды, воздуха и тд. Бактерицидным действием обладают также области В и А, но в значительно меньшей степени. Область В называется эритемной, т.к. под влиянием ультрафиоле- тового излучения этой области возникает эритема. В области В также очень выражено витаминообразующее действие. Наиболее мощным витаминообразующим эффектом обладает область с длинной волны от 265 до 315 нм. Ответы на экзаменационные вопросы 83 Область А получила название загарной. Под воздействием ультра- фиолетового излучения этой области возникает загар - образование ме- ланина, что представляет собой защитную реакцию организма. Роль УФИ очень велика. Оно повышает тонус организма, умствен- ную и физическую работоспособность, сопротивляемость к инфекциям, стимулирует деятельность желез внутренней секреции, кроветворение. Под действием ультрафиолетового излучения образуются витамин D, гистамин, тканевые гормоны, пигменты. Применение ультрафиолетовых лучей в лечебных целях при хорошо подобранной индивидуальной дозе и четком контроле дает вы- сокий терапевтический эффект при многих заболеваниях. Он складыва- ется из обезболивающего, противовоспалительного, десенсибилизи- рующего, иммуностимулирующего, общеукрепляющего действия. Их использование способствует эпителизации раневой поверхности, а так- же регенерации нервной и костной ткани. 22. Люминесценция, её основные отличия от теплового излу- чения. Фотолюминесценция, её основные параметры. Пра- вило Стокса. Применение фотолюминесценции в медицин- ских исследованиях. Люминесценция Переход электрона с одной орбиты на другую происходит с излу- чением кванта света. При переходе электрона на более высокий энерге- тический уровень (когда ему сообщается дополнительная энергия) атом тоже получает дополнительную энергию и переходит на свой, более вы- сокий энергетический уровень. При возвращении на основной уровень энергия излучается в виде кванта света. Люминесценция – излучение тела в оптическом диапазоне, пред- ставляющее собой избыток над тепловым излучением при данной тем- пературе тела и имеющий длительность, значительно превышающую период световой волны. hν Возбужденный уровень Основной энергетический уровень атома Физика стоматологический факультет 84 Тепловое излучение Люминесценция 1. Универсальное (все тела излучают) 1. Избирательное свойство 2. Может принимать равновесный харак- тер, т.е. тело получает в единицу времени столько, сколько излучает. 2. Не может принимать равновесный ха- рактер, т.к. люминесценция прекращает- ся, если израсходуется энергия того про- цесса, который ее вызывает. 3. Спектр излучения – вся шкала элек- тромагнитных волн. 3. Спектр излучения – только видимая область 4. При тепловом возбуждении на более низких энергетических уровнях находится большее число атомов. 4. На определенных более высоких энер- гетических уровнях может находиться значительно большее число атомов, чем на нижележащих. Фотолюминесценция: 1. Флюоресценция t<10 -3 (время после выключения источника) 2. Фосфоресценция t>10 -3 Рис. 32. Схема перехода атома на различные энергетические уровни. Под воздействие излучения атом переходит в возбужденное со- стояние, дальнейшее его поведение классифицируют следующим обра- зом: 1. Резонансная люминесценция (с возвращением атома на основной уровень) 2. Возвращение на основной уровень с излучением фотонов меньшей частоты, чем в первом случае. При этом некоторые ступени могут не сопровождаться излучением, так как возбужденный атом частич- но передает энергию при столкновениях с невозбужденным атомом. 3. У сложно организованных молекул и кристаллов возможен переход из возбужденного состояния на промежуточный уровень Е 2 , пере- ход с которого на Е 1 маловероятен. Такой уровень называется ме- тастабильным. На нем может происходить накопление молекул или атомов. 3 E 2 E 3 E 1 hν 1 hν hν' hν'' 2 Ответы на экзаменационные вопросы 85 Закон Стокса для фотолюминесценции. Спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн (коротких частот) относительно спектра вызывающего эту люминесценцию. Рис. 33. Схема перехода атома на различные энергетические уровни. c c ' h h ' h h ' ' Рис. 34. График зависимости интенсивности света от длины волны. Антистоксово излучение возникает при возбуждении частицы, ко- торая уже была возбуждена. Основные параметры люминесценции. Применение люминес- центных методов в медицине. 1. Спектр люминесценции – распределение интенсивности излу- чаемого люминесцирующим веществом света по длинам волн или час- тотам под воздействием одной возбуждающей линии. E 3 E 1 hν Без излучения hν' hν hν' I антистоксово из- лучение стоксово излучение λ λ Возбуждающая линия Физика стоматологический факультет 86 2. Спектр возбуждения люминесценции – интенсивность выде- ленной из спектра люминесценции линии в зависимости от длины вол- ны возбужденного света. Рис. 35. График зависимости интенсивности света от длины волны. 3. Квантовый выход I I Iл 0 , где Iл – число излученных квантов; I 0 -I – число поглощенных квантов Применение Для макрообъектов: Если квантовый выход больше 1%, то такие вещества легко обна- руживаются люминесцентным методом. При возбуждении люминесценции в УФ области (λ=365нм) легко обнаружить грибковые инфекции волос (желто-зеленая люминесцен- ция). Некоторые соединения, не обладающие собственной флюоресцен- цией, после химической обработки дают продукты с высоким кванто- вым выходом (определение наркотиков до 0,02 мкг в крови). Микрообъекты распознают с помощью люминесцентных микро- скопов, в которых в качестве осветителя применяются источники УФ - излучения. I I 0 Разные цвета фиолетовый I λ Разные цвета УФ Ответы на экзаменационные вопросы 87 Рис. 36. Схема строения микроскопа. 23. Вынужденное излучение. Основные свойства лазерного излучения. Принцип работы гелий - неонового лазера. Приме- нение лазерного излучения в медицине (в хирургии, в те- рапии). Лазер создает интенсивные пучки когерентного монохроматическо- го излучения как результат вынужденного (индуцированного) перехода атомов между определенными энергетическими уровнями. Это излуче- ние обладает высокой степенью поляризации. Переход атомов и моле- кул из возбужденного состояния в основное может быть либо самопро- извольным (спонтанным), либо вынужденным под действием фотона той же частоты, что и испускаемый атом. Однако обычные источники практически не испускают вынужденное излучение. В них в любой мо- мент времени имеется гораздо больше атомов в основном состоянии, чем в возбужденном. Следовательно, фотон, пролетая через вещество, с большой вероятностью встретится с атомом в основном состоянии и будет поглощен им, чем встретится с возбужденным атомом и стимули- рует его излучение. Атомы излучают хаотично, когерентность отсутст- вует. Чтобы создать с помощью индуцированного излучения интенсив- ные пучки когерентных электромагнитных волн нужно: Л Источник излучения препарат фильтр 1 – выделяет из спектра ис- точника определенную длину волны объектив фильтр 2 – выделяет свет люминес- ценции определенной длины волны окуляр Физика стоматологический факультет 88 1. Найти подходящее активное вещество и выбрать два состояния, меж- ду которыми возможен переход атомов, сопровождающийся индуци- рованным излучением. 2. Придумать способ возбуждения атомов, т.е. перевода их в верхнее энергетическое состояние. 3. Сформировать пучок индуцирующих фотонов в определенном на- правлении. Принцип работы He-Ne лазера Активная среда – смесь гелия и неона в отношении 10:1 После включения источника питания через смесь протекает элек- трический ток (газовый разряд) Атом He, возбуждаясь при столкновении с электронами, переходит на более высокие энергетические уровни (E 2 ,E 3 ). Рис. 37. Схема перехода атомов на различные энергетические уровни. При столкновении атомов гелия с атомами неона, находящимися в основном состоянии, атомы гелия передают им энергию возбуждения и атомы неона заселяют уровни Е 5 и Е 4 , которые являются метастабиль- ными. Переход 3 5 E E дает фотоны в красной области, 3 4 E E - в инфракрасной области. Теряя энергию, атом ступенчато возвращается в основное состояние. Для стимуляции лазерного перехода с λ=632 нм газов трубку по- мещают между двух зеркал, одно из которых полупрозрачное. Резона- тор (система двух зеркал) настроен таким образом, что между зеркала- ми образуется стоячая волна. Часть излучения выходит через полупро- Источники высокого напряжения столкновение со стенкой трубки He Ne E 1 E 2 E 3 E 5 E 4 E 3 E 2 E 1 λ=632нм (красный) λ=1153нм спонтанный Ответы на экзаменационные вопросы 89 ницаемое зеркало. Остальные фотоны стимулируют лазерный переход. Для стимуляции другого перехода надо перестроить резонатор. Для уменьшения потерь на отражении выходные окошки газораз- рядной трубки расположены под углом Брюстера. Волна, электрический вектор которой лежит в плоскости падения пучка на окошко (изнутри) проходит без потерь на отражение. Волны с другим направлением поля- ризации будут испытывать отражение, что приведет к дополнительным потерям и подавлению генерации таких волн. Основные свойства лазерного излучения: 1. Строгая монохроматичность ( нм 01 , 0 ) 2. Большая мощность 3. Узость пучка 4. Когерентность Применение лазеров в медицине Лазеры классифицируются по интенсивности выходного излучения: низкоинтенсивные (до 10 Вт) и высокоинтенсивные лазеры. Для полу- чения биологических следствий необходимо, чтобы кванты лазерного излучения были поглощены молекулами тканей – хроматофорами, имеющими полосы поглощения в этой области. Основные поглотители биологической ткани в УФ области – белки, нуклеиновые кислоты, в видимой области – меланин, гемоглобин, в инфракрасной области – во- да. Биохими- ческие ре- акции (те- рапия) Возбуж- денное со- стояние молекула в основном состоянии hν молекула в основном состоянии резонатор тепло (хирургия) Физика стоматологический факультет 90 Лазерная хирургия. Используются высокоинтенсивные лазеры, генерирующие излуче- ние в ИК области. С помощью лазеров можно создать большую плот- ность энергии на облучаемом участке тела. При этом температура облу- чаемой поверхности достигает 600˚С, что вызывает испарение ткани с термическим распадом биологических молекул. Плюсы: высокая сте- пень асептики, коагуляция мелких сосудов. Используют при проведе- нии различных операций во многих областях хирургии. Лазерная терапия – облучение поверхности тела. Внутривенное облучение крови низко интенсивными лазерами. Вызывает противовос- палительный, биостимулирующий, иммунокоррегирующий эффект, при облучении после заживления ран и трофических язв. 24. Классификация ионизирующего излучения. Основные па- раметры, характеризующие его взаимодействие с веществом. Корпускулярное ионизирующее излучение (положительно и отрицательно заряженные частицы). Нейтронное излучение. Ионизирующее излучение (ИИ) – потоки частиц и электромаг- нитных квантов (фотонов), взаимодействие которых с любым вещест- вом, независимо от его химического состава и агрегатного состояния, приводит к ионизации атомов и молекул. Ионизирующее излучение (ИИ) подразделяется на два основных вида: фотонное и корпускулярное. |