23) Ультразвук. Источники и приемники ультразвука, его основные свойства. Ультразвуковая эхолокация.
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 16-20 кГц.
Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, поскольку верхняя граница слухового восприятия человека имеет значительный разброс для различных индивидуумов. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах граничная частота
109 Гц, в жидкостях и твердых телах
1012-1013 Гц.
Физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, однако он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.
Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой ультразвуковой луч испытывает отражениеи преломление. При попадании луча на малые препятствия или дефекты возникает рассеянная волна.
Это позволяет обнаруживать в среде весьма малые неоднородности, порядка десятых и сотых долей мм.
В природе ультразвук встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира
Искусственные излучатели ультразвука основаны на явлении магнитострикции (при более низких частотах) и обратного пьезоэлектрического эффекта (при более высоких). Магнитострикция заключается в незаметных для глаза колебаниях (удлинении и укорочении) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля в соответствии с частотой изменения знака поля.
Из искусственных излучателей ультразвука наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьзоэлектрического эффекта, который заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.
Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса
На явлении отражения УЗ от границы раздела сред основана эхолокация– метод локализации неоднородностей в средах. Использование УЗ для этих целей обусловлено его относительно малой длиной волны, что дает возможность получить направленный отраженный сигнал от неоднородностей.
 Источник УЗ посылает ультразвуковой сигнал в импульсном режиме. После нескольких импульсов наступает пауза, в течение которой источник «ожидает» прихода отраженной волны. На экране локатора фактически представлена временная зависимость электрического напряжения, соответствующего посланному и зарегистрированному после отражения УЗ-сигналу. Зная интервал времени между импульсом посылки и отраженным импульсом (рис.6, б), а также скорость волны, можно найти расстояние от источника до границы отражения:
24) Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.
Ультразвук оказывает на вещество сложное действие: механическое, физико-химическое и тепловое.
Механическое действие УЗ на вещество связано с деформацией микроструктуры вещества, происходящей вследствие поочередного сближения и разрежения его частиц, вызываемых УЗ волной. При достаточной интенсивности УЗ это может вызвать разрушение вещества. Важным свойством ультразвука является то, что он обусловливает интенсивное колебательное движение частиц жидкости ( в каждой точке фазы уплотнения чередуются с фазами разрежения среды). Иногда в такой жидкости происходят разрывы сплошности среды (кавитации) и в фазе разрежения образуются микрополости, которые быстро заполняются насыщенным паром окружающей жидкости.
Время жизни полости (пузырька ) очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие и давление на пузырек со стороны окружающей жидкости резко возрастает (оно может превышать атмосферное давление в несколько тысяч раз), что приводит к схлопыванию полости и образованию сильных ударных волн. Это, в частности, используется для разрушения оболочек растительных и животных клеток и извлечения из них биологически активных веществ.
Действием УЗ можно размельчить и диспергировать различные среды, что используется при изготовлении вакцин, эмульсий, аэрозолей и т.д.
В зависимости от условий воздействия и свойств cреды, УЗ может способствовать и обратным процессам: осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газов от взвешенных в них примесей.
УЗ ускоряет некоторые химические реакции, например, окисления и полимеризации.
На комплексном действии механических, тепловых и химических факторов основано биологическое действие ультразвука, который может вызвать гибель вирусов, бактерий и грибков, а при значительной мощности и мелких животных. При незначительной мощности УЗ повышает проницаемость клеточных мембран, активизирует процессы тканевого обмена.
УЗ-терапия
Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.
В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.
УЗ-хирургия
УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.
Разрушение опухолей, Сваривание мягких тканей, Сваривание костей
УЗ-диагностика
Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука
УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутренних структур организма, а также исследовать движение биологических объектов внутри организма.
25) Эффект Доплера и его использование в медико-биологических исследованиях.
Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем, вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.
 При одновременном сближении источника волн и наблюдателя воспринимается частота
(9)
 При одновременном удалении источника волн и наблюдателя воспринимается частота
(10)
где v – скорость распространения УЗ волны, vн -скорость наблюдателя, vи -скорость источника, νи -частота излучения источника, νв -частота воспринимаемых волн.
На кровеносный сосуд (рис.7) направляется ультразвук с частотой , а затем приемником регистрируется отраженный от движущихся эритроцитов крови сигнал частоты .
 Специальное устройство сравнения находит разность частот (доплеровский сдвиг частоты):
(11)
где υ- cкорость УЗ-волны.
Эта разность оказывается пропорциональной скорости эритроцита , примерно равной скорости движения крови в сосуде. При этом можно оценить величину скорости и определить ее направление.
На экране дисплея компьютера одно из возможных направлений окрашивается в красный цвет, а противоположное – в синий; интенсивность окраски указывает на величину скорости кровотока.
На основе ультразвукового эффекта Доплера можно также определить параметры движения клапанов и стенок сердца. Этот метод называется доплеровской эхокардиографией.
34) Полное и полезное увеличение микроскопа. Ход лучей в микроскопе. Апертурная дифрагма и апертурный угол.
Полезное увеличение микроскопа- увеличение, при котором предмет, имеющий размер, равный пределу разрешения микроскопа, имеет изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза.
у глаза имеется собственный предел разрешения, обусловленный строением сетчатки. Для того чтобы глаз мог различить те же точки, которые разделяет микроскоп, необходимо увеличение Гп=Zг/Zм
Полезное увеличение микроскопа -это разумное сочетание разрешающих способностей и микроскопа, и глаза.
Необходимым элементом оптических систем, образующих изображение предметов, является оптическая диафрагма, которая представляет собой экран с отверстием. Оптическая диафрагма дает возможность регулировать световой поток попадающий в оптическую систему. Отверстие диафрагмы располагается так, что ее центр совпадает с главной осью оптической системы, а плоскость отверстия перпендикулярна оси.
Апертурной диафрагмой называется диафрагма, ограничивающая световой поток независимо от места ее расположения в оптической системе. Диафрагма способствует устранению аберраций и повышает резкость изображения, хотя при этом ограничивается количество световых лучей, попадающих в оптическую систему, т.е. уменьшается яркость изображения. Апертурный угол-это пространственный угол, ограничивающий конус световых лучей, попадающих в линзу. Апертурным углом также называют плоский угол при вершине этого конуса.
35) Поглощение света. Закон Бугера. Закон Бугера-Бера. Концентрационная колориметрия. Нефелометрия.
Поглощением света называется ослабление интенсивности световой волны при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.
Закон поглощения света Бугера: если падающая на поверхность среды световая волна имеет интенсивность I0, то интенсивность волны, прошедшей слой среды толщиной d равна I=I0 e^-ad
Где a(альфа) - натуральный показатель поглощения. Натуральный показатель поглощения зависит от природы и состояния вещества, а также от частоты (длины волны) света.
Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельногомонохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.
Закон выражается следующей формулой:
 ,
где  — интенсивность входящего пучка,  — толщина слоя вещества, через которое проходит свет,  —показатель поглощения
На использовании логарифмической формызакона Бугера-Ламберта- Бера основан оптический метод определения концентрации растворов, получивший название «концентрационная колориметрия».Для определения концентрации известногорастворенного вещества на кювету с раствором направляют луч света и измеряют его интенсивности на входе в кювету (I0) и на выходе из нее (I). концентрацию раствора:
Нефелометрия — метод количественного анализа, основанный на измерении интенсивности света, рассеянного частицами мутной среды. Мутные среды образуютсуспензии, эмульсии, коллоидные растворы.
Измерение интенсивности рассеянного света (степени мутности) производят обычно при помощи нефелометров. Светорассеяние наблюдают в направлении, перпендикулярном световому потоку, проходящему через исследуемую жидкость. В определенных условиях интенсивность рассеянного света пропорциональна числу взвешенных частиц, а следовательно, и общей массе их в единице объема мутной среды. Метод анализа, основанный на измерении ослабления интенсивности светового потока при прохождении его через мутную среду, называют турбидиметрией.
Нефелометрию и турбидиметрию широко используют для анализа воды, рядапищевых продуктов, лекарственных веществ, а также жидкостей и тканей организмов.
36) Рассеяние света. Явление Тиндаля. Молекулярное рассеяние, закон Рэлея. Комбинационное рассеяние.
При прохождении естественного света через неоднородную среду световые волны дифрагируют на имеющихся неоднородностях и дают дифракционную картину с довольно равномерным распределением интенсивности по всем направлениям. Такую дифракцию называютрассеянием.
Рассеяние света- явление, при котором свет, распространяющийся в среде, отклоняется по всевозможным направлениям.
Теорию рассеяния света разработал английский физик Дж. Релей (1842-1919 г.).
Различают два вида рассеяния.
Рассеяние в мутных средах - явление Тиндаля
Мутнойназывают среду с явно выраженными оптическими неоднородностями. Примеры мутных сред: туман, дым, эмульсия, взвесь или суспензия, аэрозоль. Рассеяние света в мутных средах называют явлением Тиндаля.
Молекулярное рассеяние на оптических неоднородностях
Рассеяние имеет место и при отсутствии в среде инородных частиц. Оно обусловлено тем, что даже в «чистой» среде имеются микроскопические флуктуации плотности- отклонения плотности от ее среднего значения, наблюдаемые в пределах малых объемов. Соответствующие флуктуации имеет и показатель преломления света. Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества; поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молекулярным. Молекулярным, например, является рассеяние света в атмосфере (при отсутствии тумана или дыма).
Если неоднородности распределены в среде достаточно равномерно, то уменьшение интенсивности проходящего света для рассеяния обоих типов описывается функцией
 где mλ - натуральный показатель рассеяния,зависящий от длины волны.
Зависимость рассеяния от длины волны
При прочих равных условиях интенсивность рассеянного света зависит от длины световой волны. При молекулярном рассеянии, а также при рассеянии в мутной среде с неоднородностями, размеры которых малы по сравнению с длиной волны (меньше 0,2λ),выполняется закон Релея:
Интенсивность рассеянного света (Iр) обратно пропорциональна четвертой степени длины волны(λ):
 Закон Релея объясняет некоторые явления, наблюдаемые в природе. Например, голубой цвет неба связан с тем, что в солнечном (белом) свете, рассеянном атмосферой, преобладают коротковолновые синие лучи.
Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) —неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.
37) Свет естественный и поляризованный.Поляризатор и анализатор. Закон Малюса
Волна называется естественной, если направления колебаний вектора напряженности электрической составляющей и вектора магнитной составляющей беспорядочно меняются,но при этом амплитуды их во всех направлениях одинаковы.
Если колебания происходят в различных направлениях, но в определенных направлениях амплитуды колебаний больше, чем в других, то такая волна называется частично поляризованной.
Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называется поляризатором.
Поляризатор, который используется для анализа поляризованного света, называется анализатором.
Закон Малюса — зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.
I = I0cos2φ; где I – интенсивностьсвета, вышедшего из анализатора; I0– интенсивность плоскополяризованного света; φ - угол скрещивания между поляризатором и анализатором. |
Скачать 0.69 Mb.