Ответы на вопросы к коллоквиуму № 2 - 2005 год. Ответы на коллоквиум 2 по физике
Скачать 238.5 Kb.
|
100-1000мкВ1-100мкВ 0,5 мкВОтветы на коллоквиум №2 по физике.
Электронные энергетические уровни в атоме 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+Евр+Екол. Согласно квантовой механике колебательная и вращательная энергия молекул, так так же как и электронная энергия, имеют квантовый характер, т.е. изменяются дискретно. Расстояние между колебательными уровнями гораздо меньше, чем между электронными. Поэтому каждый электронный уровень молекулы распадается на ряд колебательных уровней (подуровней). В свою очередь каждому колебательному уровню молекулы соответствует ряд вращательных подуровней, расстояние между которыми еще меньше, чем между колебательными уровнями. Стационарных энерг. состояние: не излучается и не поглощается энергия. При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой. Это связано с энергетическими переходами электронов. При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекул отдает энергию, в обратном случае – поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию. Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения. При переходе электрона в атоме выделяется или поглощается энергия в виде кванта ЭМ излучения. Атомные спектры излучения и поглощения являются линейчатыми. Переход в молекулах: В результате того, что электронные уровни в молекуле распадаются на колебательные и вращательные подурони, количество возможных энергетических переходов значительно возрастает по сравнению с атомами. Поэтому усложняются молекулярные спектры, они имеют сплошной характер. Атом ∆Е= hc/λ ∆Е >>∆Епол.> ∆Евр. ∆Еэ ∆Епол. |
∆Евр.
Uа-к (кВ) | Фотоэффкт | Комптон-эффект |
10 | 100% | - |
80 | 50% | 50% |
200 | 1% | 99% |
6. Устройство рентгеновской трубки и рентгеновского аппарата. Жесткость и интенсивность излучения, их регулировка. Способ получения рентгеновских снимков. Применение рентгеновского излучения в медицине.
Устройство рентгеновской трубки: Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом), с двумя электродами: анодом и катодом, к которым приложено высокое напряжение. Катод является источником электронов. Анод – металлический стуржень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до большой энергии. Кинетическая энергия приобретаемая электроном равна работе электрических сил и прапорциональна напряжению между катодом и анодом. Рентгеновское излучение возникает вследствие интенсивного торможения быстрых электронов в веществе анода при столкновения с его атомами (взаимодействия с электрическим полем атомного ядра и электронов).
Uа-к≈100∙103В
Ее→ЕRe
еUа-к=hc/λ
λmin= hc/ еUа-к 1)
Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое мягким. Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость.
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 характере 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.
µ1<µ2 I2<1
применение рентгеновского излучения в медицине:
Рентгенодиагностика:
1) Рентгеноскопия (рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение).
2) рентгенография (объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией . рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения. Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская томография и компьютерная томография).
3) Флюорография
4)Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
7.Принцип рентгеновской томографии. Рентгеновский томограф. Его устройство. В чем состоят основные отличия рентгеновской томограммы от рентгеновского снимка?
Вид томографии | Физ. фактор | Физ. Явл. |
Re | Re-излучение | Поглощение |
ЯМР (магнитные резонанс) | ЭМ-волна | |
ПЭТ (позитронно-электронная томография) | +е (позитрон) | |
1) Поглощение Re
dI= -µIdх
µ - коэффициент поглощения, свойство ткани
lnI/I0=-µх
I=I0 e-µх
2) Re-исследование
Iа= I0 e-µх1
Iв= I0 e-µ2х2
Iв= I0 e-µ1х1 e-µ2х2= I0 e-(µ1х1+µ2х2)
Цель диагноза.
Определить µ3 и ∆µ3
Идея:
lnI1/I0= -(µ1+µ2)∆х
lnI2/I0= -(µ3+µ4)∆х
lnI3/I0= -(µ3+µ1)∆х
lnI4/I0= -(µ4+µ2)∆х
I0 - задаем
I1,I2,I3,I4 – измеряем(известно)
∆х – задаем (известно)
находим µ1µ2µ3µ4, решая систему из 4 уравнений
2048∙2048= 4194304
Система теорем Радона
Если я буду брать бесчисленное множество изображений предмета, то можно восстановить его с любой точностью
µ=Кλ'Z3
Техническое решение.
этап: измерения I1,I2,I3,I4…
этап: построение изображения
Каждому значению µ ПК приписывает свою яркость (цвет)
1срез – 1 секунда
Контраст ∆µ/µ=0,1%(на 10%)
Толщина слоя – 1-2мм
Предел разрешения 0,2мм
При томографии можно получить послойное рентгеновское изображение тела с деталями менее 2 мм. Это позволяет различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые
образования
8. Виды ионизирующих излучений.
Действие ионизирующего излучения на вещество. Поглощенная, экспозиционная и биологическая (эквивалентная) дозы, соотношения между ними. Единицы доз в системе СИ и внесистемные единицы, применяемые в медицине.
В процессе излучения явления радиоактивности были обнаружены 3 вида лучей, испускаемых радиоактивными ядрами.
Альфа –распад состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием -частиц (ядра гелия).
АZХ→ А-4Z-2Y+ 42
При -распаде дочернее ядро может образоваться в возбужденном состоянии. В эжтом случае энергия возбужденного ядра чаще всего выделяется в виде -кванта. Поэтому альфа-распад сопровождается -излучением.
Бета-распад состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием электронов (или позитронов).
АZХ→ АZ+1Y + 0-1β +ν
Где ν – обозначение частицы антинейтрино. Электрон образуется вследствие внутриядерного превращения нейтрона в протон.
Гамма излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой фотоны с длиной волны λ≤10-10 м
Излучение этого типа сопровождает не только -распад, но и более сложные ядерные реакции.
Взаимодействие с веществом:
Заряженная частица при прохождении через вещество теряет свою энергию вследствие ионизационного торможения. При этом её кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.Для количественной характеристики взаимодействия заряженной частицы с веществом используют величины:
линейная плотность ионизации, i, число пар ионов, образующихся на единице ути пробега частицы: i=dn/dl
линейная тормозная способность вещества (S) – энергия, теряемая заряженной частицей на единице пути пробега: S=dE/dl
средний линейный пробег заряженной ионизирующей частицы (R) – расстояние между началом и концом пробега частицы в данном веществе.
Характерные особенности взаимодействие различных видов излучения с веществом:
Альфа- излучение:
По мере продвижения альфа-частицы в среде I сначала возрастает (при уменьшении скорости возрастает время, которое она проводит вблизи молекулы среды, поэтому вероятность ионизации увеличивается), а при завершении пробега (х=R) резко убывает, что связано с уменьшением скорости движения. Когда энергия частицы становится меньше энергии, необходимой для ионизации, образлование ионов прекращается. График зависимости линейной плотности ионизации от пути, пройденного альфа-частицей в среде:
Ионизация и возбуждение являются первичными процессами. Вторичные: увеличение скорости молекулярно-теплового движения, характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминисценция, химические процессы.
Бета-излучение. Вызывает ионизацию, возбуждение, рентгеновское излучение (при торможении электронов), характерное черенковское излучение, когда скорость движения электрона в среде превышает скорость распространения света в этой среде.
Гамма-излучение вызывает незначительную первичную ионизацию, когерентное и некогерентное рассеяние, ионизирующий фотоэффект, образование электронно-позитронных пар, фотоядерные реакции, обусловленные взаимодействием кванта с ядром.
Поглощенная доза (D) - величина, равная отношению энергии ∆Е, переданной элементу облучаемого вещества, к массе m этого элемента: D=∆Е /m. В Си единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемная единица 1рад=10-2 Гр
Экспозиционная доза излучения (Х) характеризует ионизирующее действие рентгеновского и γ-излучения в воздухе, окружающим облучаемое тело. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг.
1Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации 1кг сухого воздуха (н.у.) образуются ионы с зарядом 1Кл каждого знака. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1А/кг, а внесистемной единицей : 1Р/с. Так как доза излучения прапорциональна падающему ионизирующему излучению, то между излученной и экспозиционной дозами должна быть пропорциональная зависимость: D=fХ, где f – некоторый переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов.
Эквивалентная доза – (Н) используется для оценки действия ионизирующего излучения на биологические объекты; она имеет ту же размерность, что и поглощенная доза излучения, но название другое. В СИ: Зиверт [Зв], 1Зв=1Дж/кг
Внесистемная единица: 1бер=10-2 Зв. Между экспозиционной и поглощенными дозами есть связь: H=KD, где К – коэффициент качества (показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем фотонного, при одинаковой дозе излучения в тканях).
9. Мощность дозы. Связь мощности экспозиционной дозы с активностью радиоактивного препарата.
Мощность дозы – величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени. При равномерном действии излучения мощность дозы N численно равна отношению дозы D ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение: N=D/t.
Единицей мощности дозы излучения является грей (Гр), который соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1Дж; мощность дозы излучения выражается в Гр/сек. Внесистемная единица дозы излучения – рад (1 рад=10-2 Гр=100эрг/г), её мощности рад в секунду.
Экспозиционная доза излучения (Х) характеризует ионизирующее действие рентгеновского и γ-излучения в воздухе, окружающим облучаемое тело. В СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг.
1Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации 1кг сухого воздуха (н.у.) образуются ионы с зарядом 1Кл каждого знака. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1А/кг, а внесистемной единицей : 1Р/с. Так как доза излучения прапорциональна падающему ионизирующему излучению, то между излученной и экспозиционной дозами должна быть пропорциональная зависимость: D=fХ, где f – некоторый переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для воды и мягких тканей человека f=1, следовательно доза излучения в радах численно равна соответствующей экспозиционной дозе в рентгенах.
Связь мощности экспозиционной дозы с активностью радиоактивного препарата:
Из источника γ-фотоны вылетают по всем направления. Число этих фотонов, пронизывающих 1м2 поверхности некоторой сферы в 1с, прапорционально активности А и обратно пропорциональнаплощади поверхности сферы (4πr2)/ Мощность экспозиционной дозы (Х/t) в объеме V зависит от числа фотонов, так как именно они вызывают ионизацию: Х/t=kγA/r2
Где kγ - которая характерна для данного радионуклида.
10. Закон радиоактивного распада (вывод). График закона. Искусственная радиоактивность. Метод меченых атомов, применение в медицине.
Радиоактивный распад – это статистическое явление. Пусть за малый интервал времени dt распадается dN ядер. Это число прапорционально интервалу времени dt, а также общему числу N радиоактивных ядер:
dN=-λNdt, где λ – постоянная распада, пропорциональная вероятности распада радиоактивного ядра т различная для разных радиоактивных ядер убывает со временем. Интегрируем полученное выражение и получаем lnN/N0=-λt. N= N0e-λt.
Это и есть основной закон радиоактивного распада: за равный промежуток времени распадается одинаковая доля начального количества ядер.
- процессы радиоактивного распада для двух веществ λ1>λ2.
Период полураспада – время в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.
Искусственной называют радиоактивность ядер, образованных в результате различных ядерных реакций. Принципиального различия между естественной радиоактивностью нет. Им присущи общие закономерности.
Метод меченых атомов. При этом в организм вводят радионуклиды и определяют:
1) их расположение
2)скорость их накопления
3)активность в органах и тканях
Типичным примером является обследование патологий в щитовидной железе.
Для обнаружения распределения радионуклидов в разных органах используют гамма-топограф – прибор, который автоматически фиксирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Это сканирующий счетчик. Он последовавтельно проходит большие участки над телом пациента. Регистрация излучения фиксируется штриховой отметкой на бумаге.
11. Проникающая и ионизирующая способности , , -излучений. Защита от радиоактивных излучений.
-излучения – слабая проникающая способность, способнок ионизации.
-частицы вызывают ионизацию и проникают в ткани организма на глубину 10-15мм
-излучение – вызывает ионизацию и обладают высокой проникающей способностью
Защита от радиоактивных излучений.
1) Защита временем. Доза излучения пропорциональна времени облученяи. Поэтому, чем короче интервал времени воздействия, тем меньше полученная доза. В специальных установках время облучения задаетя автолматичесик.
2) Защита расстоянием. Интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
3) защита материалом.
В зависимости от вида излучения применяют экраны из различных материалов:
- альфа-частицы – бумага, слой воздуха толщиной несколько см, стеклянный кожух.
- бета-частицы – стекло толщиной несколько см, пластины из алюминия
-рентгеновское и гамма-излучение – бетон толщиной 1,5-2м, свинец
-поток нейтронов – замедляется в воде, а затем поглощается в кадмиевых стержнях – поглотителях.
Для индивидуальной защиты используются респираторы.
12. Шкала электромагнитных волн. Свойства ЭМ волн в различных диапазонах. Механизмы излучения ЭМ волн в радио, ИК, видимом, УФ, рентгеновском и гамма диапазонах.
Шкала электромагнитных волн.
Из теории Максвелла вытекает, что различные ЭМ волны имеют общую природу. Однако свойства волн различной частоты различаются. В физике принята следующая классификация ЭМ волн.
Длина волны, м | Название диапазона | Происхождение |
104-10-4 | Радиоволны | Обусловлены переменными токами в проводниках |
10-4- 10-6 | Инфракрасное излучение | Обусловлены излучением атомов и молекул |
8∙10-7 - 4∙10-7 | Видимый свет | |
4∙10-7-5∙10-9 | УФ | |
5∙10-9 - 4∙10-12 | Рентгеновское излучение | Возникают при внутриатомных процессах |
4∙10-12- 10-13 | Γамма-излучение | Имеют ядерное происхожденеи |
Некоторые диапазоны перекрываются, т.к. волны одной и той же длины могут образовываться в разных процессах.