Колебания и волны. Звук. Ультразвук. Колебания. Гармонические колебания. Характеристики колебаний амплитуда, период, частота, циклическая частота, фаза
 Скачать 1.35 Mb.
|
|
30. Линейчатый спектр излучения атомов. Его объяснение в теории Нильса Бора. Если пропустить солнечный свет через стеклянную призму или дифракционную решетку, то возникнет непрерывный спектр, т.е. в нем присутствуют все длины волн видимого диапазона – от красной до фиолетовой. Виден непрерывный спектр в виде сплошной полосы. При свечении разреженных газов спектр перестает быть непрерывным. В предельном случае спектр становится линейчатым – состоящим из отдельных тонких линий. Линейчатый спектр, образованный тонкими изолированными разноцветными линиями, называет спектром испускания. Он уникален для каждого химического элемента. Атомы излучают свет, переходя из возбужденного состояния в основное. Под действием света атомы переходят в возбужденное состояние. Если через холодный газ пропустить свет с непрерывным спектром, то будет виден спектр поглощения – на фоне непрерывного спектра появятся темные линии. Постулаты Бора:
31. Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, её экспериментальное обоснование. Французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее, причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов. Таким образом, если частица имеет энергию Е и импульс, абсолютное значение которого равно р, то с ней связана волна, частота которой ν=E/h и длина волны λ=h/p, где h — постоянная Планка. Эти волны и получили название волн де Бройля. Первое подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году в опытах американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера. Пучок электронов ускорялся в электрическом поле с разностью потенциалов 100—150 В (энергия таких электронов 100—150 эВ, что соответствует 0,1 нм) и падал на кристалл никеля, играющий роль пространственной дифракционной решётки. Было установлено, что электроны дифрагируют на кристалле, причём именно так, как должно быть для волн, длина которых определяется соотношением де Бройля. 32. Электронный микроскоп. Принцип действия, разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях. ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Действие электронного микроскопа основано на явлении дифракции электронов. В электронном микроскопе роль световых лучей выполняет поток электронов, а линзами являются электрические или электромагнитные поля, собирающие или рассеивающие поток электронов. Действие электронного микроскопа, в отличие от обычного микроскопа, основано на изменении углов рассеивания электронов при прохождении их через объект наблюдения, в зависимости от расположения, плотности, толщины и формы структурных единиц, образующих этот объект. Чем больше толщина или плотность структурной составляющей частицы, тем больше рассеивается электронный пучок и тем темнее получаемое изображение. Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дают возможность различать детали изучаемого объекта размерами до 0,2 – 0,5 нм. Разрешающая способность электронного микроскопа ограничивается, с одной стороны, волновыми свойствами ( дифракцией) электронов, с другой - аберрациями электронных линз. С помощью электронных микроскопов можно добиться значительно больших увеличений ( до 106 раз). В настоящее время электронная микроскопия нашла наиболее широкое применение в цитологии, микробиологии и вирусологии. При помощи электронной микроскопии изучается внешняя форма объекта, молекулярная организация его поверхности, с помощью метода ультратонких срезов исследуется внутреннее строение объекта. Электронная микроскопия в сочетании с биохимическими, цитохимическими методами исследования, иммунофлюоресценцией, а также рентгеноструктурным анализом позволяют судить о составе и функции структурных элементов клеток и вирусов. 33. Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров. Квантово-механическая модель атома Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома). Атомные спектры - Спектры оптические, получающиеся при испускании или поглащении света свободными или слабо связанными атомами; такими спектрами обладают, в частности, одноатомные газы и пары. А. с. являются линейчатыми — они состоят из отдельных спектральных линий. А. с. возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ спектры - спектры испускания, поглощения и комбинационного рассеяния света (КРС), принадлежащие свободным или слабо связанным между собой молекулам. Типичные М. с.— полосатые, они наблюдаются в виде совокупности более или менее узких полос в УФ, видимой и ИК областях спектра; при достаточной разрешающей способности спектральных приборов мол. полосы распадаются на совокупность тесно расположенных линий. Структура М. с. различна для разл. молекул и усложняется с увеличением числа атомов в молекуле. Видимые и УФ спектры весьма сложных молекул сходны между собой и состоят из немногих широких сплошных полос. М. с. возникают при квантовых переходах между уровнями энергии ?' и ?" молекул согласно соотношению: hv=?'-?", где hv — энергия испускаемого или поглощаемого фотона частоты v. 34. Люминесценция. Ее виды. Закон Стокса. Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Все известные виды люминесценции были разделены на два больших класса: флуоресценцию и фосфоресценцию. Под флуоресценцией понимали свечения, мгновенно затухающие после прекращения их возбуждения; фосфоресценцией считали свечения, продолжающиеся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения. Однако такая классификация носит сугубо качественный характер и не позволяет установить четкой границы между этими двумя видами свечения. Люминесценция, по сути, процесс выделения полученной веществом предварительно при переходе в неравновесное состояние избыточной энергии. При возбуждении люминесценции атом (молекула), поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии на возбужденный уровень. При переходе в обычное состоянии атом светится. Согласно закону Стокса, длина волны излучения люминесценции всегда больше длины волны света, возбуждающего люминесценцию. При освещении люминофора в его спектре присутствуют длины волн и большие, и меньшие тех, которые использовались для его возбуждения. Первая из этих закономерностей является правилом Стокса. А область длин волн, меньших, чем длина волны возбуждающего излучения, называется антистоксовой. Энергия падающего кванта частично превращается внутри облучаемого тела в другие виды энергии, поэтому энергия кванта люминесценции должна быть меньше. 35. Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях. Люминесценция позволяет по характеру люминесценции обнаруживать различие между предметами, кажущимися одинаковыми. Он применяется для диагностики заболеваний (например, ткань, пораженную микроспорумом, обнаруживают по яркой зелёной люминесценции её под действием ультрафиолетового света). В биологии живые ткани окрашивают спец. красителями, в результате взаимодействия которых с биологическим веществом также образуются люминесцирующие комплексы. Например, ядра клеток соединительной ткани, окрашенные акридином оранжевым, дают яркую люминесценцию, причём, если клетка раковая, цвет излучения меняется. 36. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, явление испускания электронов веществом под действием света. Было открыто Г.Герцем, обнаружившим, что искровой разряд в воздушном промежутке легче возникает при наличии поблизости другого искрового разряда. Герц экспериментально показал, что это связано с ультрафиолетовым излучением второго разряда. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта  А. Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых e0=hn. Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов. По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. 37. Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения. Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных особенностей. Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света). Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохромностью, т. е. имеет практически одну частоту и соответствующую ей одну длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче одинаковая энергия. В-третьих, лазер – источник когерентного излучения. Все кванты излучения, покидающие лазер в любой момент времени, практически одинаковы не только по их энергии, но и по фазе электромагнитных колебаний в них. Во всех квантах колебания идут синхронно. В-четвертых, лазерное излучение является плоскополяризованным. Во всех квантах лазерного излучения электрические векторы, характеризующие электромагнитные колебания, параллельны друг другу. Еще одна особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения, от длительных до сверхкоротких импульсных вспышек. Импульсы такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. 38. Принцип работы лазера. Инверсная заселенность энергетических уровней. Возникновение фотонных лавин. Для работы лазера нужна инверсная заселенность энергетических уровней. Кванты могут находиться в основном состоянии и в возбужденном. При обычных условиях квантов в основном состоянии значительно больше. Нужно перевести их из обычного состояния в возбужденное. Прямой переход атомов в возбуждённое состояние будет всегда компенсироваться процессами спонтанного и вынужденного излучений. Атом, переходя с основного уровня 1 в возбужденное состояние на уровень 3 накапливает энергию. Обычно продолжительность жизни атомов в возбужденном состоянии 10-8. Но на уровне 2 атомы способны находиться в 100 раз дольше. Это явление называется метастабильностью. Часть атомов переходит в основное состояние, излучая энергию, а часть безызлучательно переходит на уровень 2. Способность атомов долго сохранять значение энергии способствует накоплению нужного количества возбужденных атомов. Уход атома с уровня 2 будет сопровождаться выбросом избыточной энергии одного из внешних электронов. hv= E2-E1 39. Применение лазеров в медицине. Косметическая хирургия (устранение некоторых видов родимых пятен), Коррекция зрения, Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия), Стоматология (Мощность лазера устанавливается таким образом, чтобы она была достаточной для удаления пораженных тканей, но не достаточно сильной, чтобы повредить эмаль), Диагностика заболеваний, Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга. С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии: Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза, лазерный скальпель, сваривание костей, соединение мышечной ткани. Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии — углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. 40. Ядерный магнитный резонанс. Использование ЯМР в медицине (МРТ). Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом (ЯМР). Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. Магнитно-резонансная томография (МРТ) — томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса — метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер, чаще всего от атомов водорода, на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. 41. Физические основы и диагностические возможности позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). П  озитро́нно-эмиссио́нная томогра́фия (ПЭТ) – метод исследования внутренних органов человека или животного. В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами. Радиоактивные изотопы накапливаются в тканях, обладающих высокой метаболической активностью. Выбор подходящего радиофармпрепарата (меченого соединения) позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, лиганд-рецепторные взаимодействия, экспрессию генов и т. д. 4  2. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа. Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10-5 нм и энергией квантов E≥14 Эв. Спектр рентгеновского излучения – диаграмма, показывающая, как распределена в излучении энергия по разным значениям длин волн.  По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает в результате торможения электрона электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода. При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможении большого кол-ва электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. Из-за этого тормозное излучение еще называют сплошным. Когда энергия бомбардирующих анод электронов становится достаточной для вырывания электронов из внутренних оболочек атома, на фоне тормозного излучения появляются резкие линии характеристического излучения. Частоты этих линий зависят от природы вещества анода, поэтому их и называют характеристическими. 43. Способы получения рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, бетатрон. Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревающийся катод испускает электроны. Анод (антикатод) имеет наклонную плоскость, для того чтобы направить возникающее при торможении электронов рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов. Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, на которой при их торможении возникает рентгеновское излучение. Электроны ускоряются и удерживаются на круговой орбите при помощи возрастающего магнитного поля. Разгон происходит в вакуумной тороидальной камере. Если на ось камеры выведен пучок электронов и магнитное поле начинает усиливаться, то происходит явление электромагнитной индукции, и во всем объеме камеры возникает вихрь электрического поля. На электроны действует сила F=-eE, направленная по касательной к оси камеры и разгоняющая их сила Лоренца f=eVB, направленная в сторону центра камеры и удерживающая пучок электронов на оси камеры. |