Подставим численные данные ? ?
1 1, 007825 3 1 1, 008665 3, 01605 0, 009105 . . .
m
? = ?
+
? ?
?
=
=
=1,5118•10
–29
кг.
Энергия связи ядра изотопа определяется соотношением = где
? ?
8 2, 997925 10
/
=
?
?
— скорость света в вакууме.
Глава 15. Атомная физика и квантовая механика 491 ( ) ?? 2 29 8 12 1,5118 10 2, 997925 10 1,35874 10 E ? ? ? Задача 15.3. Вычислите постоянную распада ? и активность a массы m = 1 г изолированного изотопа радия 226 88 Ra. Определите время, через которое активность упадет на 10 %. Период полураспада 226 88 Ra составляет лет. Решение. Из формулы (15.2.21) получаем, что постоянная распада равна 2 T ? = 11 1 0, 693 1,354 10 c . 1620 365 24 3600 ? ? ? Согласно формуле (15.2.23), активность изотопа равна где N — число атомов изотопа, равное A N m N M = Тогда A N , m a M ? = ?? ?? 11 3 23 10 3 1,354 10 10 6, 02 10 3, 61 10 0, 976 226 Определим время, за которое активность снизится на 10 %, то есть когда число атомов N станет равным 0,9N 0 . По закону радиоактивного распада — 0 e Тогда 0 0, отсюда 1/0, 9 , t = ? ??? 9 11 0,105 7, 78 10 c 247 1,354 Задача 15.4. Заряженная частица, ускоренная разностью потенциалов, имеет длину волны де Бройля Б = 2,02 пм и заряд e, численно равный заряду электрона. Определите ее массу Практические и тестовые задания Решение. Согласно формуле (15.5.1), ? h mv ? Скорость v вычисляем из условия, что кинетическая энергия 2 2 mv частицы с зарядом e, прошедшей разность потенциалов U, равна eU, те Подставив (15.2) в (15.1), получаем 2 h h eU eUm m m ? откуда выразим массу частицы 2 h Подставив численные данные в единицах СИ, получаем 34 27 2 19 12 6, 63 10 1, 67 10 2 1, 6 10 200 2, 02 Полученное значение равно массе протона. Задача 15.5. Во сколько раз уменьшится интенсивность рентгеновских лучей с длиной волны ? = 20 пм при прохождении слоя железа толщиной x = 0,15 мм Массовый коэффициент поглощения железа для этой длины волны µ m = 1,1 м 2 /кг. Решение. Интенсивность пучка рентгеновских лучей, прошедших через слой толщиной х, определяется формулой: 0 e , x I I ?µ = где µ — линейный коэффициент поглощения = где ? — плотность железа. Тогда изменение интенсивности составит 4 0 e exp (7, 9 10 1,1 1,5 10 ) 3, 7. m То есть интенсивность рентгеновских лучей уменьшится в 3,7 раза. Глава 15. Атомная физика и квантовая механика ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ. Определите радиус 2 r второй боровской орбиты атома водорода. Определите линейную v и угловую ? скорости движения электрона на третьей боровской орбите атома водорода. Определите частоту ? и период T вращения электрона на первой боровской орбите атома водорода. Определите кинетическую E кин , потенциальную пот и полную энергию электрона на первой боровской орбите атома водорода. Вычислите потенциал и ионизации атома водорода. Определите дефект массы m ? ядра атома углерода 14 12 C . 15.7. Вычислите энергию связи E ? ядра атома гелия 4 2 He . 15.8. Определите заряди массовое число A частицы, обозначенной буквой x, в ядерной реакции 2 10 4 1 5 Be H B x + ? + 15.9. Определите порядковый номер Z и массовое число A элемента, обозначенного буквой X, в ядерной реакции 1 4 20 1 2 Ca H X He. + ? + 15.10. Сколько ?- и частиц выбрасывается при превращении ядра урана 238 92 U в ядро радия 226 88 Ra? 15.11. Определите постоянную распада ? радона 222 86 Rn. Период полураспада сут. Сколько процентов изотопов йода 131 53 I распадется за 10 дней, если период полураспада этого изотопа 1/2 T = 8 сут. Вычислите постоянную распада ? и период полураспада изотопа актиния 225 89 Ac, если известно, что за время t = 3,2 сут распадается пятая часть начального количества атомов. Вычислите активность a массы m = 1 г изотопа полония 210 период полураспада которого 1/2 T = 138 сут. Вычислите массу m радона 222 86 Rn ( 1/2 T = 3,8 сут, активность которого a = 10 12 Бк. 15.16. Вычислите длину волны 0 ? , соответствующую красной границе фотоэффекта для платины, если работа выхода электронов A = 6,3 эВ. Определите работу выхода A электронов из металла, если при облучении ультрафиолетом длиной волны ? = 166 нм электроны полностью задерживаются разностью потенциалов U = 5 В. Определите энергию E, массу m и импульс p фотона, длина волны которого ? = 500 нм Потенциалом ионизации называется минимальная ускоряющая разность потенциалов, которую должен пройти бомбардирующий электрон, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома. Практические и тестовые задания 494 15.19. Какую ускоряющую разность потенциалов U должен пройти электрон, чтобы его импульс был равен импульсу кванта с длиной волны пм? 15.20. Определите длину волны де Бройля ? ? : а) электрона, движущегося со скоростью v = 100 мс б) тела массой m = 1 г, движущегося стой же скоростью. Какую ускоряющую разность потенциалов U должен пройти электрон, чтобы длина волны де Бройля равнялась ? ? = 0,5 нм. Время пребывания электрона на возбужденном синглетном уровне (время жизни возбужденного состояния) t ? = 10 –8 c. Вычислите неопределенность энергии E ? в этом состоянии. Вычислите энергию E и орбитальный момент импульса L l 1s, 2p и 3d электронов в атоме водорода. К рентгеновской трубке приложено напряжение U = 50 кВ. Вычислите длину волны 0 ? , соответствующую коротковолновой границе непрерывного рентгеновского спектра. При прохождении рентгеновских лучей некоторой длины волны через пластинку алюминия толщиной x = 40 мкм их интенсивность уменьшается вдвое. Вычислите массовый коэффициент ослабления алюминия на этой длине волны, если его плотность ? = 2600 кг/м 3 ВОПРОСЫ ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ. Условие квантования орбит имеет вида) 2 2 0 ; 4 n ze nh г) 2 ; 2 n mv б) ; 2 n n h mv r д) 2 2 n n mv h n в) (2 1) ; 2 n n h mv r n = + ? 15.2. Второй постулат Бора имеет вида) ; E h = г) ; n k h E E ? б) ; n k h E E ? д) в) 2 ; 2 n mv h n r = ? 15.3. Радиус й орбиты электрона определяется следующей формулой: а) 2 0 2 2 ; n nh r m e г) 2 2 0 ; 4 n h r б) 2 2 0 ; 4 n Ze д) 2 2 0 4 n Ze m в) 2 2 0 2 ; n n h Глава 15. Атомная физика и квантовая механика 495 15.4. Формула Бальмера имеет вида) 2 2 2 1 1 ; R cZ n k ? ? ? ? г) 2 2 2 1 1 ; cZ n k ? ? ? = б) 2 2 2 1 1 ; Z n k ? ? ? = д) 2 2 2 1 1 hZ n k ? ? ? в) 2 2 2 1 1 ; R cZ n k ? ? ? ? = ? ? ? ? ? 15.5. В атомном ядре изотопа урана 210 84 Po содержится количество нейтронов, равное: а) б) в) г) д) 910. 15.6. Изменение энергии при ядерной реакции определяется соотно- шением: а) ( ) 2 1 2 ; E c m m ? г) ( ) 2 1 2 ; E c m m ? б) ( ) 2 1 2 ; E c m m ? д) ( ) 2 1 2 E c m m ? в) ( ) 1 2 ; E c m m ? = + ? ? 15.7. Закон радиоактивного распада имеет вида) 2 0 e г) б) д) 0 e в) 1/2 e ; t N T ? = 15.8. Период полураспада Т связан с постоянной радиоактивного распада ? следующим образом: а) 1/2 e г) 1/2 ; ln б) 1/2 ln д) 1/2 ln в) 1/2 e ; T ?? = 15.9. Активность изотопа определяется по формуле (? — постоянная радиоактивного распада N — число нераспавшихся атомов): а) ln г) 2 ; a N = б) ; a N = д) в) ln ; a N ? = 15.10. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: а) ; E h = г) 2 max ; 2 mv h A ? б) 2 2 1 1 ; c h A k n ? ? ? д) 2 2 hc h A ? в) Практические и тестовые задания 496 15.11. Длина волны, соответствующая красной границе фотоэффек- та: а) 0 ; h ? = г) 0 ; h A ? б) 0 ; hc A ? д) 0 Ac h ? в) 0 ; A h ? = 15.12. Величина, определяемая соотношением h c ? (где h — постоянная Планка ? — частота излучения с — скорость света в вакууме, назы- вается: а) временем жизни фотона; б) массой фотона; в) импульсом фотона; г) энергией фотона; д) моментом импульса фотона. Элементарная частица обладает свойством плоской волны, распространяющейся в направлении движения этой частицы. Длина волны, соответствующая данной частице, определяется соотношением: а) Гейзенберга; г) де Бройля; б) Шредингера; д) Эйнштейна. в) Планка. Масса фотона равна; а) ? 2 ; h г) ? ; h б) ? ; h д) ? m в) ? ; h m ? = ? 15.15. Импульс фотона равен: а) г) б) д) в) ? ; h ? ? = ? 15.16. Если микрочастица движется вдоль оси х, то, согласно соотношениям неопределенности Гейзенберга: а) 2 ; x x ? ? ? г) ; 2 x h x P ? б) 2 ; x x ? ? ? д) 2 x h x P ? Глава 15. Атомная физика и квантовая механика в) ; 2 h x t ? ? ? ? 15.17. Уравнение Шредингера для стационарных состояний имеет вида) 2 2 0 2 d 0; dx ? + ? ? г) ( ) 2 2 2 2 d 8 0; d m E U x h ? ? + ? ? б) ( ) 2 0; m E U h ? + + ? д) ( ) 2 d 2 0. d m E U x n ? + ? ? в) ( ) 2 2 d 0; d E U x ? + + ? = 15.18. Принципом Паули является утверждение, что в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми значениями: а) главного квантового числа; б) любых двух квантовых чисел; в) любых трех квантовых чисел; г) спинового квантового числа; д) всех четырех квантовых чисел. Интенсивность пучка рентгеновских лучей, прошедших сквозь пластинку толщиной x, определяется формулой: а) г) 0 / б) 0 ; I I x = д) в) 2 0 ; I I x = µ 15.20. Проникающая способность излучения характеризует а) энергию, переданную веществу на единице длины пробега; б) энергию, переданную веществу за единицу времени; в) расстояние, на котором энергия излучения уменьшается в 2 раза; г) расстояние, на котором энергия излучения уменьшается в e разд) расстояние, которое излучение проходит в веществе, сохраняя способность к ионизации. Практические и тестовые задания Глава ДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ На протяжении всего развития жизни на Земле живые организмы подвергались действию электромагнитных волн и ионизирующих излучений, источниками которых были космические (Солнце, планеты, галактики) и земные (радиоактивные элементы земной коры) объекты. На современном этапе к естественному электромагнитному фону добавился искусственный — излучение радиостанций, ядерных установок и др. Действие электрического тока и электромагнитного излучения может приводить к неблагоприятным последствиям для человека, в том числе и к летальным. Несмотря на это, токи электромагнитное излучение обладают целым рядом свойств, благодаря которым они нашли широкое применение в медицине как в терапии, таки в диагностике 16.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ Под воздействием электрического тока в живых организмах происходит движение заряженных частиц, поляризация тканей и их нагревание (тепловой эффект). Постоянный токи переменный ток, частота которого ниже 5 Гц, могут представлять опасность для организма. Поражающее действие обусловлено током, а не напряжением. Безопасной считается сила тока ниже 0,01 А (хотя даже слабые токи сказываются на функционировании нервной системы ток выше 0,1 А опасен для жизни. Степень опасности, обусловленная током, зависит от пути распространения тока по организму, например, оттого, проходит ли он через сердце или нет. Как известно, электрический ток, проходящий через мышцу, вызывает ее сокращение. При этом реакция мышцы зависит как от силы подаваемого тока, таки от длительности его воздействия. Сила тока ниже некоторой пороговой величины не вызывает сокращения, также, как и слишком кратковременный импульс. Если импульс был одиночным, то за сокращением последует расслабление, то есть мышца вздрогнет. Чтобы мышца после сокращения полностью расслабилась, требуется некоторое время. Поэтому, если импульсы следуют один за другим, причем интервал между ними меньше времени, необходимого для сокращения, то мышца не успевает расслабиться и ее сокращение длится столько же времени, сколько подаются возбуждающие импульсы. Такое состояние мышцы называется тет анусом. Импульсы постоянного тока (импульсный ток) оказывают приблизительно такое же действие на организм, как и переменный ток. Тетаническое сокращение мышцы объясняет тот факт, что человек, взявшийся за оголенный провод, не может его самостоятельно отпустить. Электрический ток небольшой силы (0,01—0,025 А) может привести к расстройству дыхания (в случае сокращения дыхательных мышц, сердцебиению итак далее ток более высокой силы (от А) — к обратимой либо необратимой остановке сердца. Действие электрического тока может также вызвать денатурацию белка, ожоги, как результат теплового эффекта. Любая биологическая система гетерогенна, ее сопротивление электрическому току определяется изменяющимися вдоволь- но широких пределах сопротивлениями ее составных частей (табл. Сопротивление организма, прежде всего, определяется сопротивлением кожи, а эта величина, в свою очередь, зависит от ее состояния толщины, влажности. Внутри тела ток в основном распространяется по кровеносными лимфатическим сосудам, мышцами оболочкам нервных волокон. Сопротивление тканей зависит от состояния организма. Например, сопротивление увеличивается при воспалительных процессах, сопровождающихся набуханием клеток, так как при этом уменьшается сечение межклеточных соединений. Уменьшение сопротивления, Т а блица Удельные сопротивления некоторых тканей и жидкостей организма Спинномозговая жидкость 0,55 Кровь 1,66 Мышцы 2 Мозговая и нервная ткани 14,3 Жировая ткань 33,3 Сухая кожа Кость без надкостницы Ткань или жидкость Удельное сопротивление, Ом•м § 16.1. Воздействие электрического тока наживой организм в свою очередь, происходит при состояниях с повышенной потли- востью. Сопротивление какой-либо системы переменному току определяется активными реактивным (индуктивными емкостным) сопротивлениями. В живых системах в качестве конденсаторов выступают биологические мембраны, а системы, проявляющие индуктивные свойства отсутствуют. Поэтому полное сопротивление импеданс — биологических систем определяется только омическими емкостным C X сопротивлениями а приложенное напряжение отстает по фазе от силы тока на угол ? : ? = Значения углов сдвига фаз для биологических объектов приведены в табл. Зависимости импеданса от частоты переменного тока отличаются для здоровых, больных и мертвых тканей. На рис. 16.1.1 приведен качественный вид частотной зависимости импеданса здоровой кривая) и мертвой (кривая ткани, в которой вследствие воздействия каких-либо поражающих факторов (например термического воздействия) разрушены мембраны, то есть отсутствует емкостное сопротивление. Исследования частотных зависимостей импеданса нашли применение в трансплантологии, где они проводятся перед пересадкой тканей и органов. Импеданс тканей и органов изменяется при наполнении кровеносных сосудов, то есть зависит от состояния сердеч- Т а блица Угол сдвига фаз для различных биологических объектов (при частоте 1 кГц) Кожа человека, лягушки 55 Нерв лягушки 64 Мышцы кролика 65 Биологический объект Угол сдвига фаз, град Рис. 16.1.1. Частотная зависимость импеданса живой (1 ) и мертвой (2) тканей Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты 501 но-сосудистой системы. Регистрация импеданса тканей и органов в процессе сердечной деятельности лежит в основе диагностического метода, называемого реографией (импеданс-плетизмо- графией). Снимают реограммы сердца (реокардиограммы), головного мозга (реоэнцефалограммы), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Как правило, исследования проводят на частоте 30 кГц. Раздражение может вызвать только такой ток, длительность которого превышает некоторое минимальное время, необходимое для возбуждения мышечного волокна (см. главу 12). Так как с возрастанием частоты тока длительность раздражения снижается, то по достижении некоторой пороговой величины частоты ( ?10 5 Гц) ток уже не вызывает сокращения мышц. В этом случае он оказывает только тепловое действие. Прохождение электрического тока через проводник, обладающий активным сопротивлением, сопровождается нагреванием последнего, так как ускоренные электрическим полем носители заряда, сталкиваясь с другими частицами, передают им часть своей кинетической энергии, что приводит к увеличению теплового движения частица следовательно, к повышению температуры проводника. Количество выделенной теплоты рассчитывается поза- кону Джоуля — Ленца: = 2 Q I где I — сила тока R — сопротивление t — время воздействия тока. Разделив данное выражение на объем и время, получаем количество теплоты, выделяющееся в единице объема ткани за единицу времени ? 2 q где j — плотность тока ? — удельное сопротивление. Тепловой эффект электрического тока широко применяется в медицине для прогревания тканей, для чего используют ток силой мА, частотой ? ? 500 кГц (смещение ионов, вызываемое им, неопасно для организма, напряжением 10 кВ. Высокочастотные токи применяются в хирургии для соединения (диатермо- коагуляция) и рассечения (диатермотомия) тканей. Постоянный ток широко используется для введения лекарственных веществ — электрофореза. Под действием электрического поля ионы лекарственного вещества проникают через кожу в ткани. Отрицательно заряженные частицы вещества (анионы) вводят с катода положительные (катионы) — с анода. Электрофорез имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными методами 16.1. Воздействие электрического тока наживой организм введения лекарственных препаратов, так как позволяет вводить их непосредственно в ткани, минуя пищеварительный тракт и кровь. Импульсные токи применяются для стимуляции сердца, нервных волокон, мышц с целью восстановления их сократительной или проводящей функции. Так, пропускание через сердце кратковременных импульсов тока (порядка миллисекунд) силой 10 А вызывает равномерную деполяризацию мембран и способствует возникновению синхронного сокращения мышц миокарда. При реанимации для этих целей используют специальный аппарат дефибриллятор. В зависимости от амплитуды, длительности и формы импульсов ток может вызывать различное физиологическое действие на организм 16.2. МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН РАДИОЧАСТОТНОГОДИАПАЗОНА Естественными источниками волн радиочастотного диапазона являются Солнце, планеты и другие космические объекты. Из них наибольшей интенсивностью обладает солнечное излучение, плотность потока энергии которого при входе в атмосферу Земли составляет Вт/м 2 . В радиосвязи, промышленности, медицине широко используются искусственные источники радиоизлучения. Влияние микроволнового излучения на биообъекты изучают, используя в качестве источников электромагнитного излучения клистроны, магнетроны и др. Из всего радиоволнового спектра (см. табл. 16.2.1) выделяются дециметровый, или ультравысокочастотный (УВЧ) диапазон = 1…0,1 мГц, и сантиметровый, или сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон ( ? = 10 –1 …10 –2 мГц, которые обладают наиболее выраженным действием на живые организмы. Мерой интенсивности I микроволнового излучения является модуль вектора Пойнтинга, или плотность потока энергии излуче- ния: = Ч [ ] I E H где Е — напряженность электрического поля Н — напряженность магнитного поля. Плотность потока энергии измеряется в Вт/м 2 Иногда при исследовании влияния излучения на вещество пользуются удельными значениями поглощенной мощности еди- Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты Таблица Электромагнитное излучение действие на биологические объекты и применение в медицине Радиоволны длинные, средние, короткие, УВЧ, СВЧ Инфракрасное излучение Видимый свет Ионизирующее излучение Ультрафиолетовое Применение в клинической диагностике Тепловизионные методы диагностики Методы диагностики, основанные на явлении люминесценции Биологиче- ский эффект Нарушение водородных связей и гидрофобных взаимодействий изменение гидратации и конформации макромолекул Тепловой эффект. Активация терморецепторов ужи- вотных Зрительные реакции у животных; фотосинтез у растений Синтез витамина и пигмента меланина у человека. Канцерогенез. Бактерицидный эффект Действие на вещество Возникновение токов проводимости поляризация диэлектриков. Тепловой эффект Колебания ядер и вращение молекул Возбуждение молекул Возбуждение и ионизация молекул Энергия кванта, эВ. 1,24•10 –3 1,24•10 –3 ... 1,63 1,63...3,27 3,27...1,24•10 Полоса частот, Гц 11 3•10 11 …3,95•10 14 3,95•10 14 ...7,9•10 14 7,9•10 14 ...3•10 Длина волны, м 8 …10 –3 10 –3 …7,6•10 –7 7,6•10 –7 … 3,8•10 –7 Применение в терапии Лечебное прогревание УВЧ- и СВЧ-волнами (УВЧ- и СВЧ-терапия) ИК-прогревание Лазерная терапия УФ-терапия кожных и онкологических заболеваний Рентгеновское Гамма-излучение Рентгенодиагнос- тика рентгенография и рентгеноскопия, компьютерная томография Радионуклидные методы диагностики Первичные и вторичные радиобиологические эффекты, которые приводят к повреждению отдельных биологически важных молекул и организма в целом Ионизация за счет фото- и комптон- эффектов Ионизация за счет фото- и комптон- эффектов, образования пары 6 1,24•10 4 ...1,24•10 и выше 15 ...3•10 20 3•10 18 ...3•10 и более и менее ?-Терапия Рентгенотерапия § 16.2. Механизм биологического действия электромагнитных волн 504 ницей объема или единицей массы поглощающего вещества, которые измеряются соответственно в Вт/м 3 или Вт/кг. Дозой облучения называется количество поглощенной энергии единицей массы объекта (Дж/кг). Дозиметрия микроволнового облучения довольно сложна, так как живая ткань негомогенна, от границ раздела (например, кожа жировая ткань, жировая ткань — мышечная ткань) происходит отражение излучения, что может привести к возникновению стоячих волн в среде. Электромагнитное облучение, особенно в СВЧ-диапазоне, повышает температуру ткани на некоторую величину Т, причем ?Т прямо пропорциональна удельной поглощенной мощности Р. Это позволяет определить поглощенную мощность СВЧ-излуче- ния в зависимости от нагрева ткани последующей эмпирической формуле где С — удельная теплоемкость вещества t — время облучения. Энергия микроволнового излучения (1,24•10 –6 …1,24•10 –4 эВ) недостаточна для возникновения электронно-возбужденных состояний. Поэтому воздействие микроволнового излучения на живые организмы вызывает тепловые и нетепловые эффекты. Тепловой эффект электромагнитного поля определяется его воздействием как на ионы, таки на нейтральные частицы. Впер- вом случае переменные поля вызывают переменные токи проводимости в тканях, что сопровождается выделением джоулева тепла. Во втором случае электрическое поле вызывает поляризацию нейтральных молекул и возникновение токов смещения. Колебания частиц в переменном поле сопровождаются трением, а следовательно, выделением тепловой энергии. С уменьшением частоты внешнего поля соответственно уменьшается частота колебаний частиц и тепловые потери становятся меньше. С другой стороны, при увеличении частоты электроны (в случае деформационной поляризации) или молекулы (в случае ориентационной поляризации) могут не успевать изменять свое положение в пространстве, что также снижает тепловые потери. Из этого следует, что при каком-то значении частоты колебаний тепловой эффект будет максимальным (резонанс поглощения. Это наблюдается в случае совпадения частоты внешнего поля с собственной частотой колебаний частицы. Например, в случае ориентационной поляризации молекул воды максимум поглощения находится на частоте Гц, то есть лежит в СВЧ-диапазоне. Ориентационная Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты поляризация молекул воды вносит основной вклад в поглощение электромагнитного излучения живыми организмами. Поэтому ткани, в которых содержание воды велико, нагреваются сильнее (например, мышцы и кровь) по сравнению с теми, где содержание воды меньше (костная и жировая ткань). Изменение энергии электромагнитного поля в единице объема вещества за единицу времени (удельная мощность) составляет 2 0 tg v P E E = ? + ? где ? — проводимость Е — напряженность электрического поля — частота переменного электрического поля ? — диэлектрическая проницаемость, tg ? — тангенс угла диэлектрических потерь. В этом уравнении первое слагаемое определяет потери энергии за счет проводимости (джоулевы потери, а второе — потери в диэлектрике в отсутствие свободных зарядов. В гомогенном пространстве мощность излучения убывает с расстоянием по экспоненциальному закону. Если в некоторой точке пространства с координатой х = 0 среднее значение мощности излучения составляло Ртов точке с координатой х оно составит где ? — коэффициент затухания. Одной из важных характеристик электромагнитного излучения является глубина его проникновения d в ткани, то есть расстояние, на котором мощность падающей энергии уменьшается в е раз. Глубина проникновения обратно пропорциональна коэффициенту затухания: = ? 1 d (16.2.5) С увеличением частоты излучения и диэлектрической проницаемости ткани глубина проникновения уменьшается. Чем больше содержание воды в ткани, тем меньше d. Например, глубина проникновения УВЧ-волн ( ? = 3•10 8 …3•10 9 Гц) в мышечной ткани и коже составляет около 4 см, а в жировой и костной ткани — около см. Эти же показатели для СВЧ-волн ( ? = 3•10 9 …3•10 10 Гц) составляют уже соответственно 2 и 10 см. Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость и проводимость биологических тканей зависят от частоты падающего излучения и определяются содержанием в ткани воды, ионов, дипольных молекул. Нагрев ткани традиционными способами и нагрев, вызванный воздействием СВЧ-излучения, существенно отличаются. В первом 16.2. Механизм биологического действия электромагнитных волн случае происходит нагрев поверхностного слоя, и проникновение тепла в более глубокие слои зависит от теплопроводности ткани, в то время как УВЧ- и СВЧ-облучение вызывает нагрев по всему объему облучаемого объекта. С уменьшением длины волны уменьшается глубина проникновения излучения в ткань, что вызывает нагрев лишь поверхностных слоев. Объемный тепловой эффект СВЧ-, а также УВЧ-излучения широко используется в медицине. Нагрев, вызванный УВЧ- и СВЧ-излучением, неоднороден вследствие неоднородности самого организма. В некоторых местах могут появляться локальные перегревы. Причиной этого явления может быть возникновение стоячих волн в среде. Иногда местный перегрев может компенсироваться механизмами теплоотдачи. Например, поглощение излучения мембранами происходит в 4 раза более интенсивнее, чем окружающими тканями, однако поглощенная энергия почти сразу же рассеивается в окружающую мембрану среду. Наиболее чувствительными органами являются те, которые имеют хорошую теплоизоляцию и/или недостаточное кровоснабжение, например, внутренние органы, хрусталики стекловидное тело глаза. Опухоли гораздо хуже снабжаются кровью, чем окружающие их ткани, что замедляет рассеивание тепла. Поэтому при СВЧ- облучении опухоль нагревается в большей степени, чем здоровые ткани. На этом основано лечение онкологических заболеваний СВЧ-нагревом. Сочетание СВЧ-облучения с химио- и радиотерапией дает хорошие результаты. Первоначально биологическое действие микроволнового облучения сводилось к тепловому эффекту. Однако в последнее время обнаружено влияние на организм излучения малой интенсивности, которое не приводит к существенному повышению температуры ткани. Например, изменение проницаемости мембран эритроцитов наблюдалось при интенсивности облучения 10 –1 Вт/м 2 , то есть в условиях, исключающих значимый перегрев мембраны. Нетепловой эффект СВЧ-облучения может быть следствием резонансного поглощения энергии определенными молекулами. Так, в СВЧ-диапазоне лежит частота вращательных колебаний полярных головок фосфолипидов (10 9 Гц, характеристические частоты связанной воды (10 8 —10 9 Гц, свободной воды (10 10 Гц), карбоксильных –СОО – и аминогрупп –NH 3 + (10 10 –10 11 Гц. В этом случае излучение вызывает изменения энергии отдельных молекул, при отсутствии общего повышения температуры ткани. Например, резонансное поглощение энергии излучения молекулами связанной воды может вызвать нарушения гидратной оболочки биомолекул, что в свою очередь повлечет изменение их конфор- Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты 507 мации. В этом случае может проявляться эффект СВЧ-облучения, хотя нагрев ткани может быть и несущественным. Замечено, что длительное СВЧ-облучение вызывает гипоксию (пониженное содержание кислорода в тканях, снижение работоспособности, повышение утомляемости организма, а также ряд других нарушений, особенно в нервной и сердечно-сосудистой системах. Наиболее часто от подобных симптомов страдает персонал физиотерапевтических кабинетов, теле- и радиостанций, морских и речных судов, а также военнослужащие. Нарушения состояния здоровья усугубляются с увеличением стажа работы. Для лиц, профессионально связанных с СВЧ-облучением, интенсивность непрерывного излучения в течение 8 час не должна превышать 0,1 Вт/м 2 Заболевания, вызванные облучением в радиочастотном диапазоне, выделяют в отдельную, так называемую радиочастотную или радиоволновую болезнь 16.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АТОМАХ И МОЛЕКУЛАХ Энергия кванта электромагнитной волны определяется по формуле Планка ? = ? c E h где ? — частота света ? — длина волны с — скорость света в вакууме постоянная Планка. Если энергия кванта света совпадает с энергией, необходимой для перехода электрона с одного энергетического уровня на более высокий, то происходит поглощение кванта атомом. При этом электрон переходит с основного (невозбужденного) энергетического уровня S 0 на возбужденные (синглетные) S* 1 , S* 2 и т. д. Так как состояние атома, при котором низшие энергетические уровни являются незаполненными, в то время как электроны находятся на более высоких уровнях, является неустойчивым, то электроны возвращаются на свои основные уровни. При этом возможны следующие случаи (рис. Электрон может перейти с возбужденного уровня на более низкий с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называется излучательным. Если же избыточная энергия, полученная атомом при поглощении кванта, передается другому атому при взаимодействии с ним, например, при столк- § 16.3. Электронные переходы в атомах и молекулах 508 новении, то такой переход называется без ы злу ч ат ель н ы мВ результате безызлучательного перехода возбужденный атом может передать свою избыточную энергию другим атомам, находящимся в той же молекуле (внутримолекулярный перенос энергии) или в другой молекуле (межмолекулярный перенос энергии. Эти процессы называются миграцией энергии возбужденного состояния. Время пребывания электрона на возбужденном синглетном уровне S* (время жизни возбужденного состояния) очень мало порядка с. Излучательный переход S * ? S 0 называется ф л у о ре сцен ц и е й. Переход S ? S* и обратно происходит без изменения спина электрона. В тоже время электрон, пребывая на синглетном уровне, может изменить свой спин и перейти на так называемый триплетный уровень Т, энергия которого ниже уровня S*, но выше уровня S. Переход с возбужденного уровня S* на триплетный уровень Т называется интеркомбинационной конверсией. Время жизни триплетного состояния намного больше синглетного и составляет от 10 –7 с до нескольких часов. Поэтому триплетное состояние называется метастабильным. Так как электрон находится на триплетном уровне энергии долгое время, то он может успеть поглотить еще один квант излучения и перейти с уровня Т на уровень Т 2 . Излучательный переход электрона Т S 0 называется фосфоресценцией (при этом происходит изменение направления спина. Возможен также переход Т S 1 * за счет тепловой Рис. 16.3.1. Электронные уровни молекулы и переходы между ними — синглетный уровень T — триплетный уровень f — флуоресценция p — фосфоресценция — интеркомбинационная конверсия (прямые линии — излучательные переходы волнистые безызлучательные. Возле каждого уровня показано взаимное направление спинов возбужденного и оставшегося на основном уровне электронов Глава 16. Действие физических факторов на биологические объекты энергии, и тогда переход S 1 * ? S 0 называется замедленной флуорес- ценцией. Для того чтобы электрон перешел с основного уровня на возбужденный, необходимо, чтобы энергия кванта света была равна энергии между этими уровнями. Если энергия кванта меньше, то электронные переходы не происходят (радиочастотный диапазон если, наоборот, больше, то атомы ионизируются, как в случае ?-, рентгеновского и дальнего ультрафиолетового ( ? = 10…200 нм) диапазона. Возбуждение атомов происходит в видимом диапазоне и ближней области ( ? = 200…400 нм) ультрафиолетового диапазона 16.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Действие инфракрасного излучения на организм вызывает ощущение тепла видимого диапазона — зрительные реакции, фотосинтез (образование органических соединений за счет энергии света, фототаксис (движение микроорганизмов к свету или от него фототропизм (поворот листьев и стеблей растений к свету или от него ультрафиолетового — синтез витамина D, эритему (покраснение кожи, вызванное расширением кровеносных сосудов кожи, загар (образование в коже пигмента меланина, канцерогенез (образование опухолей, оказывает бактерицидный эффект. Из всего диапазона электромагнитного излучения человек имеет рецепторы только к инфракрасному излучению (терморецепторы) и к видимому (зрительные рецепторы). Процессы, происходящие в биологических системах привоз- действии излучения оптического диапазона, называются фото- биологическими. Выделяют следующие их стадии фотофизиче- скую — поглощение кванта света и перенос энергии возбужденного состояния фотохимическую — химические превращения молекул и физиологическую — ответ организма на излучение. Поглощение кванта излучения оптического диапазона приводит к возбуждению молекулы, а следовательно, к повышению ее реакционной способности, в результате чего могут происходить химические реакции, которые были бы невозможны в темноте. Такие реакции называются фотохимическими, а образующиеся в них продукты фото продуктами. Непосредственное воздействие света на химическое вещество чаще всего приводит к образованию нестабильных продуктов, которые вцепи последующих реакций превращаются в стабильные. Эти реакции, как правило, уже не требуют действия света и поэтому называются темновыми 16.4. Воздействие излучения оптического диапазона В ультрафиолетовом и видимом диапазонах излучения происходят- и электронные переходы. Напомним, что
?-электрон — это электрон, участвующий в образовании ?-связи,
а электрон — это неспаренный р-электрон, не образующий химическую связь, но способный переходить на возбужденный уровень) орбитали. Поэтому в ультрафиолетовой и видимой областях спектра интенсивно поглощают химические соединения,
имеющие в своем составе сопряженные двойные связи и кольцевые группы, обладающие электронной системой.
Чем больше в молекуле сопряженных двойных связей N, тем больше длина волны
|
Скачать 4.24 Mb.