Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
. К веществу относятся формы материи, состоящие из эле- ментарных частиц (протонов, электронов, нейтронов и др.), из которых со- стоят атомы и молекулы и, в конечном счете, все окружающие тела. Вещест- ву свойственно наличие массы покоя. Поле – форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или те- лами. Полю свойственны непрерывность в пространстве и отсутствие массы покоя. Поле и вещество неразрывно связаны между собой, образуя единую материю нашего мира. Важнейшим универсальным свойством материи является кор- пускулярно-волновой дуализм . Всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. Впервые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Опыты по интерференции, дифракции света свидетельствовали о его волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой электромагнитные волны. Электромагнитной (ЭМ) волной называется процесс распространения в пространстве взаимоиндуцирующих друг друга переменных электрических и магнитных полей. Основные положения об ЭМ поле были сформулированы английским физиком Максвеллом, объединившим в рамках единой теории электрические и магнитные явления. Им было показано, что ЭМ волны распространяются в среде с конечной скоростью, векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н взаимно-перпендикулярны и фазы их колебаний одина- ковы. Для плоской гармонической ЭМ волны, распространяющейся в изо- тропной среде без затухания: Длиной волны называется расстояние между двумя ближайшими точ- ками, колебания величин Е и Н в которых происходят в одинаковой фазе. Скорость распространения ЭМ волны в вакууме (с) есть величина постоян- ная. Важнейшей характеристикой волны является интенсивность I – сред- нее количество энергии W cp , переносимое волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению рас- пространения волны. Вместе с тем Планк показал, что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения, полагая, что энергия излучения кратна некоторой величине е, на- званная им квантом энергии. В дальнейшем трудами Эйнштейна и ряда ученых было показано, что ЭМ-излучение не только испускается, но и распространяется квантами. Так возникло представление о частицах света фотонах, несущих квант энергии Е и движущихся со скоростью света. 108 Таким образом, было разрешено противоречие, возникшее еще в 17 столетии и содержащееся в утверждениях, что свет, с одной стороны, – это волна (Гюйгенс), а с другой – поток «корпускул» (Ньютон). ЭМ излучение обладает дуализмом, то есть одновременно и свойствами волны, и свойства- ми потока частиц. Корпускулярно-волновой дуализм присущ и другим мик- рочастицам, например электронам, нейтронам. Один вид материи может превращаться в другой и обратно. Так из- вестна реакция аннигиляции (уничтожения) двух античастиц: электрона и позитрона. В этой реакции вещество – электрон е - и позитрон е + – превраща- ются в два кванта электромагнитного поля. В результате этой реакции могут образовываться два гамма-кванта, имеющие энергию не менее 0,51 МэВ каж- дый. Известно и обратное превращение – реакция рождения пары. При этой реакции гамма-фотон высокой энергии (более 1,2 МэВ) при взаимодействии с электрическим полем ядра атома превращается в две частицы: электрон и позитрон. Таким образом, кванты электромагнитного поля превращаются в вещество. Реакции аннигиляции и рождения пар являются примером перехо- да одного вида материи в другой и обратно. Понятие «физические поля окружающего мира», очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреблять его в строго физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду, прежде всего электриче- ское, магнитное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутриядер- ных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены по- токи ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосфер- ные изменения и ряд других. Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и жи- вотных и человек – находится в окружении единого материального мира, со- ставляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым ус- ловием развития жизни и одновременно суммой факторов, влияющих на жи- вые организмы и определяющих эволюцию живой природы. Одним из суще- ственных факторов сферы обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на Земле. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвездное и галактическое пространство, и ионизирующие излучения. Естественные источники электромагнитных излучений Совокупность ЭМ волн различных длин от тысяч метров до 10 -12 м и короче, распространяющихся во Вселенной (в том числе и в условиях Земли), можно представить в виде шкалы ЭМ волн. Самый длинноволновый диапа- зон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следу- ют: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма- излучения. Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов указанные по дли- нам волн, частотам или энергиям фотонов, приняты условно. Указанные диа- пазоны перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. 109 Физическая природа всех излучений, составляющих шкалу, едина: все эти излучения – электромагнитные волны. В зависимости от частоты ν, а, следо- вательно, и энергии фотона hν, существенно меняются свойства распростра- нения и характер взаимодействия ЭМ волн с биологическими объектами. Основным источником естественного (природного) фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы, зарницы, шаро- вые молнии), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона составля- ет в среднем примерно 10 -7 Вт/м 2 Основным естественным источником излучения в ИК, видимом и УФ- диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические события (образование сверхновых звезд, ква- зары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, маг- нитного поля Земли, солнечной активности и др. и может изменяться в до- вольно широких пределах. ЭМ волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде солнечного те- пла (ИК-диапазон), дневного света (видимый диапазон). УФ-диапазон сол- нечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает. Плотность потока энергии ЭМ излучения от Солнца на границе атмо- сферы составляет 1350 Вт/м 2 . Эту величину называют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому у поверхности Земли на широте Москвы интенсивность падает до 930 Вт/м 2 Максимум энергии излучения приходится на λ = 470 нм, а на поверх- ности Земли – на длину волны около 555 нм. УФ-излучение короче 290 нм поглощается озоновым слоем около верхней границы атмосферы, а часть длинноволнового ИК-излучения – водяным паром. Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в условиях отно- сительного постоянства солнечной радиации, поэтому изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоя- нием атмосферы и ионосферы (например, появлением озоновых дыр), может отрицательно влиять на существование жизни. Наряду с указанными естественными объектами, излучающими ЭМ волны, существуют и другие природные источники. В частности, источником ЭМ излучения является организм человека. Понимание физических механиз- мов возникновения ЭМ волн открывает возможности изучать процессы ре- цепции, электрогенеза, распространение нервных импульсов в активных сре- дах и целый ряд других жизненно важных функций. Современная наука рассматривает два подхода к объяснению механиз- мов ЭМ излучения. Первый базируется на законах классической электроди- намики, в основе которой лежит теория Максвелла. Второй использует зако- ны квантовой механики.Оба подхода объясняют возникновение ЭМ волн в различных диапазонах и взаимно дополняют друг друга. 110 Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интен- сивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атома- ми и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различны- ми в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым. В общем виде ослабление опреде- ляется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны веществом. Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны: λ=3∙10 3 до 1 м (частота 1О 5 до 3∙10 8 Гц) – длинные, средние, короткие и УКВ- диапазоны, и λ, от 1 до 10 3 м (частота 3∙10 8 -3∙10 11 Гц) – микроволновый диа- пазон. Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лим- фе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организ- ма. Особенности распространения электромагнитных волн в живых тканях: 1. Характерной особенностью живых тканей является сильная зависи- мость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости ε и прово- димости σ от частоты радиоволн. 2. С ростом частоты длина волны электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. 3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводи- мости тканей энергия электромагнитной волны быстро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела. Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую ин- тенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные про- цессы. Искусственными источниками радиоволн являются радиовещатель- ные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Они могут давать до 30∙10 9 Вт в импульсе на частотах около 10 10 Гц. Для че- ловека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м 2 считается безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах значительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м 2 , пребывание че- ловека запрещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в ме- дицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппара- тов УВЧ, СВЧ-терапии, а также индуктотермии. ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиологические про- цессы в биоструктурах. Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза. При действии дальнего УФ-излучения может происходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримиди- новых оснований нуклеиновых кислот. ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы со- ответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с 111 тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют ко- ротковолновую часть ИК-диапазона. УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. По- глощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покраснение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А – антирахитная (400-315 нм) – идет синтез ви- тамина Д; В – эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги; С – бакте- рицидная (280-200 нм) – может вызывать канцерогенез, мутации, бактери- цидный эффект. Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энергиями кван- тов, что определяет их специфическое взаимодействие с веществом, – эти из- лучения являются ионизирующими. Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может ко- герентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рентгеновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов – комптон-эффект. Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит все- гда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясня- ется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы выхода и сообщение электрону кинетиче- ской энергии. Вторичное излучение также может быть ионизирующим, например, при взаимодействии гамма-фотона с веществом может возникать вторичное излучение в рентгеновском диапазоне. При взаимодействии гамма-фотонов высокой энергии с веществом мо- гут образовываться пары: электрон-позитрон. Рассмотренные эффекты взаимодействия рентгеновского и гамма- излучений с веществом могут идти независимо и одновременно. Доля того или иного эффекта в общей картине взаимодействия зависит от энергии фо- тона (длины волны излучения) и порядкового номера вещества. Особенно сложным является проявление этих свойств при взаимодей- ствии рентгеновского и γ-излучения с биологическими объектами. Это связа- но с тем, что поглощение различных тканей организма может сильно отли- чаться. Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определяющей харак- тер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фо- тона. Мы говорили ранее, что ЭМ-излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и свойствами частицы (проявление корпускулярно- волнового дуализма). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радиодиапазоне и в ИК-излучении проявляются волно- вые свойства (дифракция волн, интерференция), в видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция – волновые, фо- тоэффект – корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее прояв- ляются корпускулярные свойства ЭМ-излучения. Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6∙10 19 Дж), что соответствует дальнему УФ, 112 и далее в диапазоне рентгеновского и тем более гамма-излучения, ЭМ волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы ЭМ-излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим. Естественный радиоактивный фон Земли На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки альфа- и бета-частиц, гамма-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воде подземных ис- точников, реках, морях и океанах, в воздухе. Кроме того, радионуклиды вхо- дят в состав живых организмов. Совокупность излучений этих радиоактив- ных источников называется природным или естественным радиоактивным фоном. Наиболее распространенные на Земле радионуклиды – это 220 Rn, 222 Rn и 40 К, а также радионуклиды, составляющие ряды урана. Радиационный фон Земли определяется в основном следующими при- родными источниками (в % указан вклад соответствующего источника в об- щий фон): радон – 50 %, калий – 15 %, космические лучи – 15 %, нуклиды ряда урана – 20 %. Изотоп радона 222 Rn дает альфа-излучение 5,5 МэВ на нуклон, сопро- вождающееся испусканием гамма-фотонов 0,5 МэВ. В массе стабильного 40 К содержится 0,01% изотопа 40 К, ядра которого распадаются с образованием 40 Са, бета-излучения и гамма-квантов. Этот изотоп калия содержится в почве, удобрениях, а также в головном мозге, мышцах, селезенке и костном мозге. В организме человека содержится около 0,3 % калия по отношению к его массе. Так у человека массой 70 кг содержится в организме около 210 г К и 0,021 г радионуклида 40 К. Период полураспада 40 К составляет 1,3∙10 9 лет. Можно рассчитать, что в каждую секунду в нашем организме распадается 5∙10 3 атомов 40 К, а в сутки 430∙10 6 . Но это не представляет для нас не только никакой опасности, но и, по-видимому, является необходимым для развития организма, так как зарождение и развитие жизни на Земле в целом всегда со- провождалось этим процессом. Космические лучи возникают в результате межзвездных и галактиче- ских событий и активности Солнца. Космическое излучение состоит из пото- ков протонов высоких энергий, альфа-частиц, ядер некоторых элементов, по- токов электронов, фотонов и нейтронов. Магнитное поле Земли отклоняет низкоэнергетические заряженные частицы. Частицы высоких энергий, взаи- модействуя с атмосферой, образуют в результате ядерных реакций целую се- рию радионуклидов 3 Н, 7 Ве, 22 Na и др. и потоки нейтронов и протонов. Обра- зуются космические ливни, составляющие вторичное космическое излуче- ние, проникающее в нижние слои атмосферы. На биосферу воздействует ио- низирующий компонент вторичного космического излучения. Оно дает 1,9- 2,5 ионизаций / см 3 за 1 с на уровне моря; в горах в 2-3 раза выше. Средняя мощность дозы облучения от всех источников природной ра- диации на гонады, гаверсовы костные каналы и костный мозг человека как 113 наиболее чувствительные ткани к действию радиации составляет около 200 мбэр в год (2 мЗв в год). Однако радиационный фон в зависимости от местоположения, времени года, наличия промышленных предприятий и др. может меняться в значи- тельных пределах. Так, в городах мощность дозы фонового излучения со- ставляет в среднем около 20 мкР/ час и может меняться в 2 и более раза в различных районах города. Важно отметить, что природный радиоактивный фон, оказывая влия- ние на развитие жизни на Земле, является неотъемлемой частью сферы оби- тания человека. В условиях радиоактивного фона происходят такие процес- сы, как деление одноклеточных организмов и клеток, развитие эмбрионов насекомых, рост и развитие высших растений и животных. Нарушения естественного радиоактивного фона Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непо- правимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона явля- ется активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. мо- жет приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными при- чинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц, которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС). В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление деления ядер радиоактивных элементов, например ядер урана. (Термин «деление ядра» был введен в обращение по аналогии с термином «деление клетки» в биоло- гии.) Это явление заключается в том, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа урана 235 U его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождается испусканием двух или трех нейтро- нов, например: Эта реакция одна из типичных, хотя в природе существуют еще многие другие реакции деления урана. Важно, что при делении урана высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядра 235 U больше суммарной массы осколков деления (в приведенной реакции 141 Ва и 92 Zr). Разность энергий между исходным ядром урана и осколками деления составляет примерно 0,9 МэВ на нуклон. В каждом процессе деления участвуют 235 нуклонов и энергия, выде- ляющаяся при делении одного ядра, составляет примерно 0,9∙235, то есть около 200 МэВ. Но при этом выделяется 2 или 3 нейтрона, способных вы- звать дальнейшее деление ядер, таким образом осуществлять цепную реак- цию деления урана. При указанных процессах возникают различные реакции, течение которых определяется многими условиями их протекания. Важным показателем является коэффициент размножения нейтронов |