Вопрос28

Среда по отношению к организму выступает как комплекс раздражителей. Раздражителем называют всякий фактор окружающей среды, под действием которого происходят изменения свойств или состояния ткани, органа, целого организма. Такими факторами являются любые отклонения физических, химических и физико-химических параметров среды от тех значений, которые привычны для биологической системы.

Разнообразные раздражители принято классифицировать по модальности — по той форме энергии, которая свойственна каждому из них. Встречаются химические, механические, тепловые, осмотические, электрические, световые и другие раздражители. В основу другой классификации раздражителей положен принцип адекватности (соответствия). Все раздражители подразделяются на адекватные и неадекватные по отношению к данной ткани. Адекватным считается стимул, к воздействию которого она приспособилась в ходе эволюции. Адекватность раздражителя для исследуемой ткани проявляется в том, что его пороговая величина значительно ниже, чем у неадекватных раздражителей. Так, ощущение света возникает у человека, когда минимальный поток световой энергии составляет всего 10-17—10-18 Вт. Ощущение вспышки можно вызвать и механическим воздействием на глаз (явление механического фосфена), но для его возникновения необходимы механические стимулы мощностью более 10"4 Вт. Следовательно, разница между механическим (неадекватным) и световым (адекватным) пороговыми раздражителями для органа зрения человека достигает 13—14 порядков. Для механорецепторов, напротив, механический стимул является адекватным, а световой — неадекватным, на который они вообще не реагируют.

Значительная разница в чувствительности к адекватным и неадекватным раздражителям свойственна рецепторам всех органов чувств*. Им принадлежит важнейшая роль в получении информации о внешней среде. Именно рецепторы сенсорных систем предназначены в организме для восприятия тех изменений окружающей среды, в реакциях на которые он нуждается. В соответствии с модальностью адекватного раздражителя разнообразные рецепторные аппараты подразделяются на фоторецепторы, механорецепторы, хеморецепторы (химиорецепторы), терморецепторы, осморецепторы и т. п.

Фоторецепторы обеспечивают восприятие света. У высших животных они сосредоточены в сетчатой оболочке (сетчатке) глаза.

Химиорецепторы воспринимают изменения химических свойств среды. Ого разнообразнее фоторецепторов. К ним относятся обонятельные и вкусовые рецепторы, а также рецепторные аппараты внутренних органов (интероцепторы).

Еще более разнообразны механорецепторы. На механические стимулы реагируют слуховые рецепторы, рецепторы органа восприятия гравитации — отолитового аппарата, рецепторы угловых ускорений — рецепторные аппараты полукружных каналов, рецепторы осязания, рецепторы мышц, сухожилий, суставов костей, прессорецепторы (барорецепторы) сердечнососудистой системы и других механорецепторы внутренней среды организма.

Терморецепторы воспринимают изменения температуры среды, окружающей их. Они расположены в коже, внутренних органах и промежуточном мозге.

Осморецепторы реагируют на изменения осмотического давления, будучи сосредоточены в головном мозге, внутренних органах и тканях организма.

Приведенный неполный перечень основных типов рецепторных аппаратов, присутствующих в большом количестве во всех органах и тканях, позволяет сформулировать локализационный принцип классификации рецепторов, согласно которому их подразделяют на экстероцепторы,, обращенные во внешнюю среду, и интероцепторы, информирующие о процессах во внутренней среде организма. Они различаются не только топографически, но и по биофизическим свойствам. У экстероцепторов в большей степени выражена специализация — высокая избирательная чувствительность к адекватным раздражителям. Обладая чрезвычайно высокой чувствительностью к адекватному стимулу, экстероцептор может реагировать и на интенсивные неадекватные раздражители. Однако из-за большой разницы в порогах адекватных и неадекватных стимулов большинство экстероцепторов принято считать мономодальными рецепторными аппаратами, т. е. приспособленными к восприятию агентов одной модальности. Чувствительностью к неадекватным стимулам в этом случае пренебрегают как бесконечно малой величиной.

Избирательная чувствительность рецепторов к адекватным раздражителям, а также степень выраженности этого свойства у тех или иных рецепторных аппаратов обусловлены прежде всего их структурными особенностями. Формирование рецепторных структур происходит в ходе преобразования периферического отростка (дендрита) биполярного (или псевдоуниполярного) нейрона и окружающих его тканей. Отросток делится на многочисленные концевые веточки (нервные терминале), открытые воздействию раздражителей (рис. 5.1). Такая организация характерна не только для начального этапа развития рецепторных аппаратов, но и для многих уже сформировавшихся рецепторов. Они называются свободными нервными окончаниями (СНО), поскольку нервные терминали непосредственно контактируют с стимулами.

Схема рецепторного акта:

I этап — специфическое взаимодействие раздражителя с рецептирующим субстратом рецептора;

II этап — образование РП в месте взаимодействия стимула с рецептором (следствие изменения проницаемости плазмолеммы рецептора для ионов);

Ш этап — генерация ПД, протекающая по-разному в рецепторных аппаратах разных типов:

А — в первично-чувствующих рецепторах, а также в свободных нервных окончаниях и инкапсулированных нервных тельцах ПД возникает вследствие электротонического распространения РП на возбудимые участки плазмолеммы рецепторной клетки;

Б — во вторично-чувствующих рецепторах третий этап включает следующие звенья:

1) электротоническое распространение РП по плазмолемме специальной клетки от места взаимодействия рецептора со стимулом к пресинаптической мембране;

2) выделение медиатора пресинаптическими структурами специальной клетки;

3) возникновение ГП на субсинаптической мембране концевой веточки чувствительного нервного волокна;

4) генерация ПД возбудимыми участками постсинаптической мембраны этого волокна, являющегося периферическим отростком чувствительного нейрона.

Потенциалы действия, образовавшись в любом из рецепторных аппаратов в той точке афферентного нервного волокна, где оно обладает возбудимостью (т. е. потенциал зависимыми ионными каналами в аксолемме для входящего тока), устремляются без декремента в центральную нервную систему.

Вопрос №29

Сигналы одной модальности могут различаться по силе (точнее – по интенсивности). В какой же характеристике потенциалов действия отображаются эти различия? Нетрудно понять, что в соответствии с законом«всё или ничего» все потенциалы действия в данном нервном волокне одинаковы, поэтому величина (амплитуда) и форма ПД не могут служить сигнальными признаками для различения сильных и слабых раздражителей. Эксперименты показали, что от интенсивности раздражителя зависит частота следования потенциалов действия в нервном волокне, отходящем от рецептора. Чем сильнее раздражитель, тем короче интервалы между потенциалами действия, и тем выше частота следования ПД. Серии потенциалов действия, возникающие при воздействии раздражителей большой (А) и малой (Б) интенсивностью Очень важно, что зависимость следования ПД от интенсивности раздражителя почти всегда нелинейная, то есть между частотой интенсивностью нет прямой пропорциональности. Легко понять, что так и должно быть, потому что интенсивность большинства раздражителей может меняться в очень широких пределах. Например, интенсивность самого громкого звука, ещё не повреждающего орган слуха, больше интенсивности самого тихого (порогового) звука в 10-14 раз! Ясно, что частота нервных импульсов (потенциалов действия) не может измениться в такое колоссальное число раз. Между частотой и интенсивностью должна существовать нелинейная функциональная зависимость, при которой интервал частот сжат во много раз по сравнению с интервалом интенсивностей. Такую функцию так и называют – функция сжатия.

Легко видеть, что логарифмическая функция – это очень эффективная функция сжатия. Например, если интенсивность раздражителя возрастёт в 10 раз(колоссальное число!), частота ПД увеличится только на 10k единиц . Так как коэффициент k обычно не очень велик, изменение частоты составит десятки, максимум – сотни герц, что очень мало по сравнению с изменением интенсивности. Другое важное свойство логарифмической функции легко получить,

если взять производную : dν/dI = k(lgI - lgI0)΄ = k.(1/I) или dν = k(dI/I). Отсюда видно, что абсолютное изменение частоты пропорционально относительному изменению интенсивности. Но именно такое соотношение гарантирует наиболее целесообразную точность восприятия интенсивности: при больших интенсивностях нет надобности оценивать интенсивность с малой абсолютной ошибкой. При оценке интенсивности раздражителя

практически значимы не абсолютные, а относительные величины; именно это и обеспечивает логарифмическая функция.

Другим вариантом функции сжатия может быть степенная зависимость: то есть опять таки изменение частоты много меньше изменения интенсивности. Надо заметить, что из-за большой сложности биофизических процессов в сенсорных системах никакая простая математическая функция не может в точности отобразить связь частоты нервных импульсов с интенсивностью раздражителя. Особенно большие отклонения наблюдаются при очень малых

или при очень больших интенсивностях. Однако, в области средних интенсивностей (которые на практике встречаются чаще всего)

логарифмическая или степенная функции достаточно хорошо отображают результаты, получаемые в эксперименте или при клиническом обследовании. Другой способ получения информации об интенсивности раздражителя связан с тем, что почти всегда эта информация передаётся не от одного

изолированного рецептора, а от большого их числа по многим волокнам. Порог возбуждения у разных рецепторов различен, поэтому чем больше

интенсивность раздражителя, тем больше рецепторов участвует в передаче сигнала, и тем больше клеток в нервных центрах будет возбуждено. Связь между интенсивностью раздражителя и возбуждением нервных центров тоже нелинейная; есть данные, что здесь лучше подходит степенная функция. Однако, этот вопрос пока недостаточно изучен. Кроме интенсивности раздражители одной модальности различаются по качественным признакам. Например, свет от источника может иметь разный цвет; пища может быть разного вкуса и т.п. Одним из способов различения качественных признаков является специализация рецепторных клеток. Например, на поверхности языка находятся четыре типа вкусовых рецепторов, реагирующих соответственно на сладкое, кислое, горькое и солёное. Всё разнообразие вкусовых ощущений возникает в результате различных сочетаний сигналов, поступающих в ЦНС от этих четырёх видоврецепторов.

Вопрос №30

Основные характеристики звука.

Звуком называют упругие колебания, (чаще всего в воздухе), воспринимаемые ухом. Для человека границы звукового диапазона

соответствуют частотам примерно от 20 Гц до 20 000 Гц (у разных людей эти границы довольно сильно различаются). Понятие звука неразрывно связано со

свойствами органа слуха, причём – именно органа слуха человека. Некоторые животные ощущают колебания с частотой около 10 Гц; другие (летучие

мыши, дельфины) – с частотами много выше 20 000 Гц (ультразвуки). Как известно, длина волны связана с частотой соотношением λ = с/ν;

где с – скорость волны. Например, скорость звука в воздухе 340 м/c, поэтому при частоте 20 Гц длина волны равна 340/20 = 17 м; при частоте 20 000 Гц - в

1000 раз меньше, то есть 17 мм. Как видно, длина звуковых волн сравнима с размерами окружающих нас предметов, поэтому для звука большое значение

имеет дифракция, то есть звуковые волны огибают встречающиеся на их пути предметы.9 Звуковые волны всегда распространяются в какой-то среде. В газах и

жидкостях эти волны продольные, то есть молекулы среды колеблются вдоль направления распространения волны. (Отсюда, кстати, следует, что для звука не существует явления поляризации). Эти колебания приводят к тому, что в одних точках возникает сгущение молекул, приводящее к локальному

повышению давления, а в других точках - разрежение (понижение давления). Таким образом, звуковая волна – это распространение в воздухе (или в

другой среде) колебаний давления. В простейшем случае эти колебания могут быть гармоническими (в музыке такие колебания называют чистыми тонами). Гармоническое звуковое колебание выражается формулой: Δр = р – рo = Δрmax.cosωt, где Δр – разность между давлением в данной точке волны и давлением в

невозмущённой среде (практически – атмосферным давлением). Величину Δр называют звуковым давлением. На практике почти все звуки являются сложными колебаниями, форма которых далека от синусоиды. Однако, по формуле Фурье сложное колебание можно разложить в гармонический спектр, то есть представить как сумму простых (гармонических) колебаний; поэтому свойства сложных звуков можно, в основном, свести к свойствам гармонических колебаний. Другой важнейшей характеристикой звука является его интенсивность. Интенсивность звука (как и любой волны) – это физическая величина, равная энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени. Так как энергия, переносимая за единицу времени – это мощность, можно сказать и так: интенсивность – это мощность, переносимая волной через единицу площади.

Общее представление о работе органа слуха.

Звуковые колебания, попадая в ухо, воздействуют на барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Колебания барабанной перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко) передаются в заполненную жидкостью полость улитки. Вдоль этой полости расположена перепонка из соединительной ткани – базилярная мембрана. На ней располагается рецепторный аппарат уха – Кортиев орган. Он состоит из рецепторных клеток, которые принято называть волосковыми клетками, потому что на их верхнем конце мембрана образует тонкие выросты, напоминающие волоски. К основаниям волосковых клеток подходят нервные волокна, образующие с клетками синапсы. Когда под воздействием звука жидкость в улитке колеблется, волоски рецепторных клеток изгибаются. Это механическое воздействие открывает находящиеся в мембране натриевые каналы. Ионы натрия идут в клетку, и на

мембране волосковой клетки возникает положительный сдвиг потенциала11 (рецепторный потенциал), величина которого зависит от интенсивности звука. Сдвиг потенциала передаётся через синапс на нервное волокно, в котором возникает уже серия потенциалов действия; эти потенциалы действия (нервные импульсы) через несколько промежуточных синапсов поступают в слуховой центр коры головного мозга.

Вопрос №31.

По определению, звуком называются упругие колебания, воспринимаемые ухом. Отсюда ясно, что и принципиально, и практически никакие измерения звука невозможны без учёта особенностей органа слуха. Самый простой пример: колебания с частотой 30 кГц могут быть очень

громкими для летучей мыши, в то время как для человека их громкость равна нулю. Поэтому, говоря о параметрах звука, приходится различать два ряда величин:

А. Физические характеристики звука, не зависящие от органа слуха

Б. Психофизические (субъективные) характеристики, учитывающие свойства органа слуха.

Набор этих величин и связь между ними удобно представить в виде такой таблицы:

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА .

Физические характеристики Психофизические характеристики

1. Частота колебаний [Гц] 1. Высота тона

2. Гармонический спектр 2. Тембр звука

3. Интенсивность звука I

3. Громкость звука [сон]

Первые две позиции не нуждаются в особых пояснениях. Надо только заметить, что высота тона связана с частотой тоже логарифмическим соотношением; по-другому можно выразиться так: при росте частоты в геометрической прогрессии высота тона увеличивается в арифметической прогрессии. Для сложных звуков высота звука определяется, в основном, частотой первой гармоники. В этом случае субъективное ощущение высоты звука может зависеть и от соотношения интенсивностей разных гармоник По спектру все звуки разделяются на тоны и шумы. Тонами называют звуки, имеющие линейчатый спектр, то есть достаточно строго периодические. Звуки со сплошным спектром, не имеющие определённого периода, называют шумами. К тонам, в частности, относятся гласные звуки

речи и звуки музыкальных инструментов; к шумам – согласные и звуки ударных инструментов. Интенсивности звука в субъективном восприятии соответствует

громкость. Однако, непосредственно установить соотношение между интенсивностью и громкостью не удаётся; приходится вводить вспомогательные величины – уровень интенсивности и уровень громкости. Понятие уровня интенсивности учитывает сформулированный выше закон Вебера-Фехнера о логарифмической зависимости между частотой нервной импульсации и интенсивностью звука. Уровнем интенсивности называется величина L. Единицей уровня интенсивности является децибел [дБ];(приставка “деци” напоминает о значении коэффициента, то есть В определении понятия уровня интенсивности в какой-то мере отражены

биофизические закономерности (конкретно – закон Вебера-Фехнера). Однако, сам по себе уровень интенсивности ещё не соответствует тому субъективному ощущению, которое вызывает тот или иной звук, так как это ощущение в значительной мере зависит и от частоты звука. Например, для большинства людей одинаково громкими будут ощущаться тоны с частотой 30 Гц и интенсивностью 65 дБ и 1000 Гц, 20 дБ, несмотря на то, что уровни интенсивности у них резко различны. Поэтому было введено второе понятие - уровень громкости, единицей которого является фон (фоны иногда называют децибелами громкости). При определении этого понятия исходят именно из субъективного восприятия звука. При этом измеряемый звук сравнивают со

звуком с частотой 1000 Гц (её называют «стандартной частотой»). Практически это делается таким образом. Надо иметь генератор звука с

частотой 1000 Гц; уровень интенсивности этого звука можно менять. Чтобы определить уровень громкости измеряемого звука, сравнивают этот звук со

звуком генератора. Изменяя уровень интенсивности «стандартного» звука, добиваются, чтобы оба звука «на слух» ощущались одинаково громкими.

Пусть, например, это имеет место при уровне интенсивности «стандартного» звука 55 дБ. Тогда уровень громкости измеряемого звука равен 55 фон.

Исходя из описанной процедуры, можно дать такое определение: уровнем громкости некоторого звука (в фонах) называется величина, равная уровню интенсивности такого звука со «стандартной» частотой 1000 Гц, который воспринимается одинаково громким с данным звуком.

Из этого определения видно, что уровень громкости – субъективная величина, то есть одному и тому же звуку разные люди могут приписать разные значения уровня громкости, поскольку нет двух людей с абсолютно одинаковым слухом. Чтобы уменьшить степень субъективности и облегчить расчёты, были определены так называемые кривые равной громкости (изофоны). Для этого большой группе людей предъявляли звуки разной частоты и интенсивности, и полученные значения уровня громкости усреднялись по всем испытуемым. В результате был построен график, пользуясь которым по заданному уровню интенсивности в дБ можно определить уровень громкости звука. Чаще всего для оценки звука пользуются именно понятием уровня громкости. Однако, иногда предпочитают использовать другую величину – громкость, измеренную в единицах, называемых “сон”. Принято, что уровню громкости 40 фон соответствует громкость 1 сон. При изменении уровня громкости на 10 фон громкость изменяется в 2 раза. Для диагностики состояния органа слуха используют специальный прибор - аудиометр. С помощью этого прибора фактически определяют кривые равной громкости в соответствии с процедурой, рассмотренной выше. Однако, большинство аудиометров устроены таким образом, что они показывают не саму величину уровня громкости подаваемого звука у данного пациента, а отклонение этой величины от «стандартного» значения (то есть от соответствующего значения по кривым равной громкости для здоровых людей). Поэтому для человека с «абсолютно нормальным» слухом кривая, полученная на аудиометре, (аудиограмма) будет прямой линией. Практически

абсолютно нормального слуха не бывает; у всех людей наблюдаются те или иные отклонения. Если эти отклонения не превышают 10-15 фон (децибел громкости), их обычно считают несущественными. Более значительные отклонения могут указывать на заболевание органа слуха. Важно выявить, на каких частотах наблюдаются эти отклонения. При одних заболеваниях понижается слух (повышается порог слухового восприятия) на всех частотах, при других – преимущественно на низких, при третьих – на высоких. Эти данные имеют большое диагностическое значение.

Вопрос №32.

Рецепторный аппарат глаза человека.

Различают оптическую (преломляющую) систему глаза, формирующую изображение видимых предметов, и рецепторный аппарат – сетчатку. В последней находятся фоторецепторные клетки – колбочки и палочки. Примерно половина объёма этих клеток занята внутренними мембранами (дисками), содержащими особый интегральный белок (зрительный пигмент). В палочках он называется родопсин, а в колбочках - иодопсин. Родопсин состоит из белка опсина, к которому присоединена группа, называемая ретиналь. Опсин обладает свойствами фермента, но пока к нему присоединён ретиналь, опсин этих свойств не проявляет (он не активен). Структура иодопсина аналогична, но белок в нём несколько отличается по составу. Ретиналь по своей химической природе очень близок к витамину А, из которого он и синтезируется в организме; поэтому недостаток витамина А может вызвать нарушения зрения. Когда на рецепторную клетку попадает квант света, он поглощается ретиналем. Энергия кванта вызывает перестройку ретиналя, и он отрывается от опсина. При этом белок (опсин) активируется и катализирует синтез медиатора пока ещё не известной природы. Медиатор воздействует на наружную мембрану рецепторной клетки, изменяя её проницаемость для ионов натрия, в результате чего на мембране возникает сдвиг потенциала (рецепторный потенциал). Величина рецепторного потенциала зависит от числа квантов, одновременно попавших в рецептор. Через синапсы этот РП преобразуется в потенциалы действия, частота которых тем больше, чем больше был рецепторный потенциал. Эти ПД по волокну зрительного нерва передаются в зрительный центр мозга, где и происходит восприятие света.

Различия между дневным и сумеречным зрением.

При хорошей освещённости (днём) работают, в основном, колбочки, а при малой освещённости (в сумерки) – в основном палочки, то есть порог восприятия света у палочек значительно ниже, чем у колбочек. Зато разрешающая способность (способность различать близко расположенные предметы) у колбочек много выше, чем у палочек. Так как высокая разрешающая способность нужна, в первую очередь, в центре поля зрения, в20 центральной части сетчатки преобладают колбочки, а на периферии – палочки. При недостаточном освещении преобладает палочковое зрение, поэтому при определении остроты зрения таблица должна быть хорошо освещена, иначе можно сделать существенную ошибку.

Механизм цветового зрения.

Цветовое зрение присуще только колбочкам; изображение, даваемое палочками, одноцветно. Это объясняется тем, что все палочки одинаковы, а колбочек существует три типа; точнее, имеются три вида иодопсина с разными спектрами поглощения. Поэтому у одних колбочек максимум поглощения света лежит в синей части спектра, у других – в зелёной и у третьих – в красной . В зависимости от спектра света, падающего на данный участок сетчатки, соотношение сигналов, поступающих в зрительный центр, будет разным, что и даёт субъективное ощущение цвета.

33. Основы фотометрии. Относительной спектральной чувствительности. Основные фотометрические величины: сила света, яркость, освещенность, единицы их измерения. Связь между этими величинами.

Область электромагнитных волн, воспринимаемых глазом, называют светом. Свет-это очень узкий диапазон в огромной совокупности ЭМВ. Человек ощущает ЭМВ только в области длин волн от 400 до760 нанометров (0,4-0,76 мкм). Тем не менее, именно с помощью зрения мы получаем основную часть информации об окружающем мире. С чисто физической точки зрения для измерения любого излучения используются энергетические. характеристики: мощность, поток, интенсивность и др. Но легко понять, что такой подход не годится для измерения света; по самому смыслу понятия "свет" нельзя проводить никаких его измерений не учитывая свойств глаза , (причём именно человеческого, так как у многих животных диапазон воспринимаемых длин волн отличен от нашего). Скажем, какова бы ни была мощность инфракрасного излучения, для нашего глаза она равна нулю - глаз ИК - лучи не ощущает.

Относительная спектральная световая эффективность глаза

Относительная спектральная световая эффективность глаза

Основной характеристикой восприятия света глазом является относительная спектральная световая эффективность. Максимум чувствительность на зелёный свет 555 нм. Эта разница объясняется наличием в глазу двух типов фоторецепторных клеток - палочек и колбочек.

Для измерения любого излучения можно воспользоваться приёмником, полностью поглощающим лучи всех длин волн, то есть обладающим свойствами абсолютно чёрного тела.

К основным энергетическим характеристикам относятся:

1.Поток излучения (поток энергии) F э . Это -величина энергии излучения, переносимая через данную площадку за единицу времени : Fэ = W/t. Можно сказать короче: поток излучения - это мощность излучения, переносимая через данную площадку : Fэ= Р изл. Размерность Fэ - 1 ватт .

2. Энергетическая сила света I э. Большинство источников света испускают излучение не во все стороны равномерно, а имеют определённую диаграмму направленности. При этом результат облучения сильно зависит от того, в каком телесном угле распространяется излучение

Это - величина, равная отношению потока излучения к тому телесному углу W , в пределах которого

распространяется данный поток:

F э

I э = ------

W

Размерность энергетической силы света - 1 ватт/ср

телесный угол. W = S/R2 Если излучение идёт во все стороны, S равно площади поверхности сферы

3.Энергетическая яркость Lэ. Представьте себе, например, две лампы,

- лампочку накаливания и люминесцентный светильник. От обеих ламп в глаз попадает одинаковое количество энергии, но ощущение будет совершенно разное: на люминесцентную лампу можно спокойно глядеть, а на лампу накаливания не только неприятно смотреть. Причина разницы очевидна: площадь нити накаливания во много раз меньше площади поверхности светящейся трубки люминесцентного светильника.

Исходя из таких соображений вводится величина, называемая энергетической яркостью .Это- величина, равная отношению энергетической силы света источника излучения к площади его поверхности:

Iэ F э

L э = ----- = ----------

S изл W S изл

Размерность энергетической яркости 1 ватт/ср*м2

4. Энергетическая освещённость Еэ. Это- величина, равная отношению потока излучения, падающего на какую-то площадку к площади этой площадки: Еэ = F э/ S

Размерность энергетической освещённости - 1 ватт/м2 .

Основу этой системы составляют тоже четыре величины: световой поток Ф, сила света I, яркость L и освещённость Е (без эпитета и значка "энергетический"), в определениях которых учтена спектральная световая эффективность глаза V( λ 0).

По техническим причинам в основу этой системы был положен эталон силы света. Принятая на основании этого эталона единица силы света называется 1 кандела, кд . ( по русски - свеча).

Световым потоком Ф . называют мощность излучения,оцениваему по создаваемому им световому ощущению.

5. Яркость- это величина силы света, испускаемого с единицы поверхности излучателя: L= Ф/ Sизл

Единица яркости –нит. 1 Нит = кд/м2

6.Освещённость- величина, равная световому потоку, падающему на едиицу площади:Е = Ф/S

Единица освещённости - 1 люкс, лк; лк = кд 5. 1ср/м2

Часто бывает полезна формула, связывающая освещённость в какой-то точке А с силой света источника I. Если расстояние до источника R, а угол падения лучей α,то

I

Е = -------- cos α

R2

34. Строение органа слуха. Роль вспомогательного аппарата органа слуха. Рецепторный аппарат (кортиев орган); слуховые рецепторные клетки. Биофизические процессы, происходящие при восприятии звука.

Строение уха

Здесь приводятся только некоторые сведения, без которых трудно изложить биофизику слуха.

Орган слуха принято делить на наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо это ушная раковина и слуховой проход, который отделяется от среднего уха барабанной перепонкой. Полость слухового прохода образует резонатор с резонансной частотой около 2 – 3 кГц (именно к этой области частот наш орган слуха наиболее чувствителен).

За барабанной перепонкой расположена полость среднего уха, отделённая овальным окном от спирально закрученной полости внутреннего уха, называемой улиткой. Овальное окно затянуто эластичной перепонкой, а улитка заполнена жидкостью.

При попадании звуковых волн в ухо они оказывают на барабанную перепонку переменное давление, которое вызывает колебания барабанной перепонки. Если бы барабанная перепонка прямо граничила с жидкостью, заполняющей полость улитки, то из-за большой разницы в импедансах между воздухом и жидкостью 99% энергии звука отражалось бы от барабаной перепонки. Чтобы избежать этого, барабанная перепонка связана с внутренним ухом тремя косточками (молоточек, наковальня и стремечко)Молоточек прикреплён к барабанной перепонке, а стремечко -–к овальному окну. Благодаря такой системе передачи колебаний происходит согласование импедансов, и отражение звука значительно уменьшается. Кроме того, косточки работают как система рычагов, увеличивающая силу давления на овальное окно приблизительно в 90 раз. Однако, при громких звуках, которые могли бы повредить очень чувствительный аппарат внутреннего уха, усиление блокируется или даже переходит в ослабление. Это происходит потому, что к косточкам прикреплены мышечные волокна, которые при громких звуках рефлекторно сокращаются и тормозят движения косточек.

Полость среднего уха соединена с наружным воздухом узким каналом. Это необходимо для выравнивания давления на барабанную перепонку с обеих сторон. При нарушении проходимости этого прохода или при очень быстром изменении внешнего давления выравнивание давлений не успевает происходить. Это нарушает работу барабанной перепонки и ведёт к понижению слуха (в обиходе говорят: «уши заложило»).

Собственно рецепция звука осуществляется во внутреннем ухе, а первые два отдела можно назвать вспомогательным аппаратом уха. При повреждении вспомогательного аппарата (при травме или в специальном эксперименте) возможность воспринимать звук не теряется, но чувствительность органа слуха значительно падает (пороговая интенсивность звука возрастает в тысячи раз). В этом случае звук достигает слуховых рецепторов через кости черепа (височную кость), почему говорят о костной проводимости звука в отличие от обычной – воздушной проводимости. Из-за зависимости отражения и поглощения

звука костной тканью от частоты, звуки разных частот проводятся по-разному, в результате чего изменяется спектр воспринимаемого звука. В субъективном восприятии

спектральному составу звука соответствует его тембр, поэтому один и тот же звук при воздушной и костной проводимости имеет совершенно различную тембровую окраску. Интересно отметить, что, в отличие от других

звуков, свой собственный голос человек в значительной мере ощущает с помощью костной проводимости (колебания воздуха в гортани и полости рта непосредственно передаются костям черепа). Поэтому каждый человек воспринимает свой голос не так, как слушающие его люди; в этом легко убедиться, записав свой голос на магнитную кассету (в этом случае при воспроизведении звук будет передаваться только через воздух и вспомогательный аппарат уха). Как правило, человек при этом не узнает свой голос. Полость улитки делится двумя соединительнотканными мембранами на три отсека . Нижний и верхний соединены в верхушке улитки небольшим отверстием.*) В широком конце нижнего отсека расположено овальное окно, связывающее среднее ухо с улиткой. В широком конце верхнего отсека находится круглое окно, также открывающееся в полость среднего уха. Круглое окно, как и овальное, затянуто эластичной перепонкой. Если бы не было круглого окна, звуковые волны отражались бы и создавали интерференционные эффекты, которые искажали бы восприятие звука. Верхний и нижний отсеки улитки заполнены жидкостью, называемой перилимфой. Средний отсек заполнен более вязкой жидкостью – эндолимфой. Основную роль в регистрации звука играет базилярная мембрана . На ней располагается рецепторный аппарат уха – кортиев орган.

Работа рецепторного аппарата органа слуха

Перейдём теперь к работе внутреннего уха. Усиленные в среднем ухе колебания через овальное окно передаются перилимфе – жидкости, заполняющей наружные отделы улитки. От перилимфы колебания передаются на базилярную мембрану, на которой располагаются собственно рецепторные элементы – волосковые клетки. Волоски упираются концами в расположенную над ними покровную мембрану. При колебаниях базилярной мембраны волосковые клетки колеблются вместе с ней; в то же время эндолимфа и покровная мембрана остаются неподвижными. В результате волоски изгибаются. Это механическое воздействие передаётся апикальной части мембраны, что приводит к открытию натриевых каналов. В данном случае эти каналы являются не потенциалзависимыми, а механозависимыми, то есть

вместо сенсора напряжений в белковые молекулы, образующие канал, входят структурные группы, реагирующие на механическое усилие (изгиб). Открытие натриевых каналов, как обычно, приводит к деполяризации мембраны, но так как в мембране волосковой клетки нет потенциал зависимых каналов, то потенциал действия не может возникнуть, а развивается градуальный сдвиг потенциала, который в данном случае называют рецепторным потенциалом (РП). Величина РП зависит от интенсивности звука. РП распространяется по мембране волосковой клетки. На базальном (нижнем) конце этой клетки имеется синапс с окончанием волокна одного из биполярных нейронов. Через этот синапс с помощью медиатора возбуждение передаётся на нервное волокно, в котором возникает постсинаптический потенциал, преобразующийся далее в потенциал действия (нервный импульс). Потенциалы действия по слуховому нерву передаются без декремента в ЦНС. Таким образом, по типу передачи информации слуховые рецепторы относятся ко вторичночувствующим.

Волосковые клетки обладают крайне высокой чувствительностью: звуковые колебания, лежащие около порога слышимости, вызывают колебания базальной мембраны с амплитудой порядка нанометра. Такого ничтожного смещения оказывается достаточным, чтобы создать потенциал действия.

Между сигналом и шумом есть принципиальная разница. Звуковые колебания, поступающие в орган слуха, исходят от одного источника, поэтому они когерентны, то есть попадают во все рецепторы в одинаковой фазе. Шум – это хаотические некогерентные колебания; они приходят в разные рецепторные клетки в разных (случайных) фазах. В теории сложения колебаний доказывается, что если складываются N одинаковых когерентных колебаний с амплитудой А, то общая амплитуда Аобщ равна:

Аобщ = N*А ,

а если складываются некогерентные колебания, то

Возьмём для примера приближённые, но вполне реальные значения. Пусть амплитуда рецепторного потенциала в одной клетке 1 мкВ, амплитуда шумового потенциала 10 мкВ, и в группе соединено 2500 волосковых клеток. Для одной клетки шум в 10 раз больше фона; в таких условиях различение звукового сигнала на фоне шума практически невозможно. Для всей группы общий потенциал сигнала будет равен 1 мкВ.2500 = 2 500 мкВ = 2,5 мВ; общий потенциал шума - 10 мкВ.= 10 мкВ.50 = 500 мкВ = 0,5 мВ. Теперь потенциал сигнала в пять раз больше потенциала шума, и такой звук будет уверенно воспринят.

В случае звуков обычной и большой громкости амплитуда сигнала много больше амплитуды шума, поэтому нет надобности в объединении рецепторов. В этом случае работают, в основном, волосковые клетки внутренней полоски.

35 Энергия, переносимая волной. Интенсивность волны и поток.

При образовании волны энергия от источника волн непрерывно переходит в энергию самой волны (в электромагнитных волнах - в энергию электрического и магнитного полей; в звуковой волне-в энергию упругих колебаний молекул воздуха и т.д.). Поэтому можно сказать, что любая волна переносит энергию. Энергия, которую содержит электромагнитное поле в расчёте на единицу объёма, равна:

Первый член отображает энергию электрической составляющей ЭМП, второй - энергию магнитной составляющей. Так как в электромагнитной волне энергия электрического поля постоянно переходит в энергию магнитного поля и наоборот, средние значения энергии обоих полей будут одинаковы:Wэл=Wмагн.Отсюда следует,что

 или

(для вакуума Н~E/0.377)

потоком энергии или просто потоком и обозначают буквой Ф.

W

Ф = ─── [Bт] (7)

  t

Энергия, переносимая волной на единицу площади за единицу времени называется интенсивностью волны(или просто  интенсивностью).Применяют также термин плотность потока энергии(ППЭ).Очевидно, что

W Ф Р

  I = ───── = ─── = ─── [Вт /м²]

  tS S S

(Р - мощность, переносимая волной). Интенсивность просто выражается через характеристики поля-напряжённости Е и Н: I =Emax*Hmax/2, где Еmax и Нmax - амплитудные значения напряжённостей в данной точке. Величину I= Е*Н называют вектором Умова-Пойнтинга.Так как Е и Непрерывно колеблются по модулю, то вектор Умова-Пойнтинга I тоже колеблется в пределах от 0 до Imax. Интенсивность I равна среднему за период значению вектора Умова-Пойнтинга. Легко понять, что интенсивность - это важнейшая характеристика волны, определяющая её взаимодействие со средой и различными приборами. Скажем, качество и даже сама возможность радиосвязи напрямую зависят от интенсивности доходящей до радиоприёмника электромагнитной волны.

36. Излучение электромагнитных волн. Шкала ЭМВ. Зоны сформировавшейся и несформировавшейся волны. Диаграмма направленности излучения. Поток излучения и интенсивность излучения.

Электромагнитные волны (ЭМВ) - это распространяющиеся в пространстве возмущения электрического и магнитного полей. В отличие от звуковых и многих других волн, ЭМВ могут распространяться не только в каких-то средах, но и в пустоте (вакууме). Для описания ЭМВ обычно пользуются векторами напряжённости электрического и магнитного полей, то есть векторами Е и Н.

Если в какой-то точке произошло  изменение электрического поля, это вызывает возникновение вокруг данной точки магнитного поля. Направление вектора Н перпендикулярно вектору Е, а величина напряжённости пропорциональна скорости изменения Е: H ≈ε₀* ε *(dE/dt) (*) Но магнитное поле в волне тоже переменное; переменное магнитное поле по закону Фарадея создаёт ЭДС индукции, то есть электрическое поле (тоже переменное); оно создаёт магнитное поле и т.д. Таким образом возмущение ЭМП распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны. Для плотной электромагнитной волны колебания электрической и магнитной её составляющей описываются так E=Emax*Cosw(t-x/v);H=H_max*cos w(t-x/ν)

Из основных законов электромагнитгого поля (теории Максвелла) следует, что вектора Е и Н перпендикулярны друг другу и перпендикцлярны   направлению распространения волны.Таким образом, электромагнитные волны всегда поперечные.Скорость этих волн по теории Максвелла равна:

υ=1/ \/ ε₀εμμo (3)

Эта формула подтверждается и экспериментально. В вакууме

υ = с = 1/\/ε₀μo  ~  3*10⁸ м /с.

Шкала электромагнитных волн

Спектр электромагнитных волн очень широк: длина волны различных. ЭМВ лежит в пределах от миллионов километров до 10^-15 м. Принятоделить ЭМВ на диапазоны, что весьма грубо представлено в таблице:

длина волны (м) название диапазона

от до

10⁹ 10⁴ сверх низкочастотные 

10⁴ 10³     длинные

10³ 100 средние

100 10 короткие радиоволны

10 1 ультракороткие  (УКВ)

1 0,01   сверхвысокочастотные  (СВЧ) 

0,01 0,001   крайне высокочастотные (КВЧ) (или миллиметровые)

0,001 0,76*10^-6 инфракрасное излучение

0,76*10^-6 0,4*10^-6 видимый свет

0,4*10-6 10-9 ультрафиолетовое излучение

менее 10-9  рентгеновское и гамма-излучение

Излучение электромагнитных волн

Электромагнитные волны излучаются зарядами (чаще всего электронами), если эти заряды  двигаются с ускорением. Равномерно двигающийся заряд создаёт вокруг себя постоянное поле. Если же заряд двигается ускоренно (или замедленно), скорость меняется, и напряжённость магнитной составляющей тоже меняется (напряжённость пропорциональна скорости заряда). Изменение магнитгого поля вызовет появление электрического поля, тоже переменного. Изменение электрического поля - это ток смещения, который создаёт магнитное поле, и т.д. Чаще всего колебания зарядов гармонические, тогда и ускорение меняется по синусоидальному закону, и ЭМВ будут синусоидальными.Зоны сформировавшейся и несформировавшейся волны. При распространении волны от источника она не сразу приобретает те свойства, которые характерны для этой же волны на относительно большом расстоянии от места возникновения. Говорят, что поблизости от источника волна не сформировалась. Эта зона  несформировавшейся волны простирается на расстояние в одну - две длины волны от источника. На большем расстоянии волна приобретает правильный вид, и только там можно характеризовать её приведенными ранее формулами; такая зона называется зоной сформировавшейся волны. Такое разделение имеет большое практическое значение. В частности, только в зоне сформировавшейся волны имеют смысл понятия потока и интенсивности, и только там их можно измерять соответствующими приборами. В ближней зоне характеристики волны сильно зависят от конкретной конструкции излучателя; в частности, не соблюдается соотношение между величинами Е и Н(Н=ε₀/μo). Например, если излучатель выполнен в виде катушки,в нём будет возникать магнитное поле, и в зоне несформировавшейся волны будет значительно преобладать магнитная составляющая поля. Поэтому при измерениях в ближней зоне нельзя мерять интенсивность волны, а необходимо специальными приборами измерять сами величины напряжённости полей Е и Н. Несоблюдение этого правила может привести к серьёзным ошибкам при оценке безопасности нахождения людей в зоне действия радиолокаторов и прочих генераторов радиоволн (и других волн).

Диаграмма направленности излучателя

Подавляющее большинство излучателей создают разную интенсивность излучения в разных направлениях. Для того, чтобы охарактеризовать излучение в этом отношении, строят диаграмму направленности излучателя. Из начальной точки О проводят вектора в разных направлениях, причём длина каждого вектора в определённом масштабе равна интенсивности излучения в данном направлении. Затем концы всех векторов соединяют непрерывной линией; эта линия и представляет диаграмму направленности. Например, на рис.1 представлена диаграмма направленности простейшего телевизионного излучателя (диполь Герца), состоящего из двух проводников (штырей) KL и MN, к которым подводится напряжение высокой частоты от генератора. Вдоль штырей излучения нет, а максимальная интенсивность достигается в направлениях А и В, составляющих угол 90º с осью диполя. На рис. 2 изображена диаграмма направленности терапевтического аппарата "Луч-2"; видно, что основная часть излучения идёт в сравнительно узком пучке, направленном на больного. Ещё более узкий луч у радиолокатора (рис.3), но в этом случае кроме основного

пучка имеются слабые дополнительные максимумы излучения ("вторичные лепестки" диаграммы направленности). Это имеет большое значение с точки зрения безопасности работы: человек, не знающий об этих дополнительных лучах, не будет соблюдать меры предосторожности, что приведёт к опасному облучению.

37 Основные виды воздействия ЭМВ на организм человека

Различают три основных вида воздействия электрического тока и ЭМВ:

1)Электротравма,основным компонентом которой является раздражающее действие тока, вызванное возбуждением нервной и мышечной ткани. При очень сильном воздействии возбуждение может перейти в торможение, сопровождающееся параличём нервных центров.

2)Тепловое действие-нагревание тканей током проводимости или током смещения.

3) Так называемое "специфическое действие" - различные патологические реакции на облучение электромагнитными волнами высоких частот.

38 Раздражающее действие. Механизм электротравмы

Проходя по тканям, электрический ток вызывает перераспределение

ионов по обе стороны клеточных мембран. В результате на мембранах происходит сдвиг потенциала. Если он превысит пороговое значение, в нервных и мышечных волокнах будут возникать потенциалы действия. Это проявится, во-первых, в субъективных ощущениях (боль, чувство жжения), во-вторых, в судорожных сокращениях мышц. Пороговое значение тока составляет около 10 миллиампер; при меньшей силе тока в большинстве случаев человек не испытывает неприятных ощущений. При силе тока во много раз выше пороговой возбуждение может перейти в торможение.(это явление, характерное не только для тока, но и для самых разных раздражителей, называют запредельным торможением).Наиболее чувствительными к действию электрического тока являются клетки дыхательного центра; в результате их торможения может наступить остановка дыхания. Поэтому при поражении током часто необходимо делать искусственное дыхание. Большую опасность представляет также перевозбуждение пейсмейкера, приводящее к выраженной аритмии и, в конечном итоге - к остановке сердца. При этом существенное значение имеет путь, по которому идёт основная часть тока внутри тела. Так, очень опасно, когда контакты находятся на обеих руках - в этом случае значительная часть тока проходит через предсердие и действует на синоаурикулярный узел и вообще на проводящую систему сердца. Поэтому опытные электрики работают только одной (правой) рукой, если есть опасность попасть под напряжение. Практически важно, что определяющую роль при оценке опасности электротравмы играет именно сила тока, а не напряжение. Дело в том, что сопротивление тела человека может меняться в очень широких пределах в зависимости от характера и расположения контактов и от функционального состояния организма. Особенно большое значение имеет  состояние кожи. Чистая сухая кожа обладает значительным сопротивлением, но оно может снизиться в сотни и тысячи раз, если кожа влажная (потная).Соответственно, в первом случае даже при относительно высоком напряжении ток не достигнет опасной величины, а во втором - опасным может оказаться небольшое напряжение. Известны случаи смертельного поражения при напряжении 36 и даже 12 вольт и, наоборот, иногда благополучно кончается контакт с источником напряжения в несколько тысяч вольт. Кроме действия на нервную и мышечную систему, прохождение тока через тело человека может вызвать ожоги, особенно - в местах контактов. Раздражающее действие тока сильно зависит от его частоты. . Постоянный ток относительно менее опасен, так как вследствие сильной поляризации сила тока очень быстро падает во много раз (хотя бывают случаи тяжёлых и даже смертельных поражений и постоянным током). Наиболее опасен ток низкой частоты (до нескольких сотен герц), в том числе – от городской сети (50 Гц). При дальнейшем повышении частоты воротный механизм потенциалзависимых каналов не успевает за полпериода среагировать на возникшую разность потенциалов, а в следующие полпериода потенциал меняет знак и уже не может вызвать возбуждение. Поэтому с ростом частоты пороговое значение тока, способного вызвать возбуждение, возрастает, и на частотах выше нескольких десятков килогерц человек полностью перестаёт ощущать прохождение тока, даже если сила тока достигает нескольких ампер. Поэтому, например, плетизмографы и другие диагностические приборы, связанные с пропусканием тока через организм,работают на частотах не менее 100 кГц - в этом случае гарантировано полное отсутствие неприятных ощущений у пациента.

№39 Тепловое действие электромагнитного поля. Электрическое прогревание тканей. УВЧ-терапия и индуктотермия.Особенности выделения тепла волнами СВЧ диапазона

При воздействии волнами СВЧ диапазона выделение тепла (при той же интенсивности излучения) больше, так как тепловая мощность пропорциональна квадрату частоты. Поэтому с помощью сверхвысокочастотного излучения (с длиной волны в единицы или десятки  сантиметров) можно добиться более интенсивного прогревания, чем в диапазоне УВЧ. Вместе с тем, это связано и с определёнными опасностями. Если при использовании аппаратов УВЧ практически не известны случаи ожогов или перегрева тканей, то при использовании волн СВЧ такие случаи бывают, что требует соблюдения ряда мер предосторожности. Особенно опасно СВЧ-облучение глаз. Дело в том, что в большинстве тканей выделяющееся в облучаемом участке тепло в значительной мере уносится кровью. Внутри глаза кровеносных сосудов нет (они имеются только на периферии глазного яблока), а теплопроводность сред глаза очень мала. Отвод тепла идёт крайне медленно, и глазное яблоко перегревается. В первые годы развития радиолокации было, к сожалению, немало случаев слепоты в результате попадания

лучей в зону СВЧ излучения. Сейчас все работы, где есть подобная опасность, выполняются обязательно в защитных очках.* В последнее время вместо аппаратов диатермии для подобных операций часто используют специальные хирургические лазеры. Луч лазера разрезает ткань и одновременно вызывает коагуляцию белков. В настоящее время считается, что с тепловым воздействием СВЧ излучения можно не считаться, если его интенсивность не превышает  210 милливатт на квадратный сантиметр (100 ватт на кв.метр). Это, кстати сказать, в 10 раз меньше интенсивности прямого солнечного света. Другая особенность излучения СВЧ - его значительно более сильное поглощение в тканях организма. Например, поглощение на длине волны 12,3 см (терапевтический аппарат "Луч-2") примерно в 3000 раз больше, чем на длине волны 7,4 м (аппарат УВЧ). Поэтому волны УВЧ проходят через всё тело человека лишь немного ослабляясь, а СВЧ излучение не проникает глубоко в ткани; прогревание получается поверхностное (на глубину до 5-7 см). Это необходимо учитывать при использовании сверхвысокочастотных ЭВМ. В ряде случаев на результат облучения может существенное влияние оказать  интерференция волн. Волны СВЧ хорошо отражаются от границ раздела разных тканей, например, от слоя жира. При этом отражённая волна накладыывается на падающую, и происходит их интерференция. В результате в одних местах волны усилят друг друга, в других ослабят, и выделение энергии может оказаться очень неравномерным: одни участки ткани перегреются, а другие останутся холодными.

№40 Нетепловое ("специфическое") воздействие электромагнитных волн

Практика широкого использования радиоизлучения (в первую очередь -в Вооружённых силах) показала, что даже при интенсивностях, не вызывающих никакого теплового эффекта, облучение радиоволнами может неблагоприятно влиять на здоровье людей. Реакция организма на воздействие ЭМВ может быть весьма разнообразной: нарушения сна, потеря аппетита, повышенная утомляемость, раздражительность и т.п. Могут, особенно при длительном воздействии, наблюдаться и более серьёзные нарушения со стороны системы кровообращенеия (например, подъём АКД) и желудочно-кишечного тракта, а также нервной системы. В медицине подобные состояния называют астеническим синдромом. В принципе, неблагоприятные последствия могут вызвать ЭВМ всех диапазонов, но практически наиболее актуально в этом смысле излучение сверхвысоких и крайне высоких частот. Это объясняется, с одной стороны, тем, что аппаратура СВЧ и КВЧ часто имеет очень высокую мощность; с другой стороны, излучение СВЧ и КВЧ гораздо сильнее поглощается в организме и, значит, передаёт организму значительно большую часть своей энергии - во многих случаях до 100 % (вспомните соответствующие рассуждения, которые мы проводили при рассмотрении понятия дозы ионизирующей радиации).За последние полстолетия общая мощность источников радиоизлучения колоссально увеличилась. (Если где-то в Галактике есть радиоастрономы, они могли бы зарегистрировать вспышку необычайно мощной радиозвезды).Вся биосфера Земли - и человек в том числе- неожиданно столкнулись с воздействием нового мощного экологического фактора, к которому у нас нет адаптации в процессе эволюции. Пока ещё трудно предсказать, каков будет в глобальных масштабах результат этого воздействия, но уже сейчас ясно, что необходимо предохранить людей и биосферу в целом от нежелательных последствий облучения ЭМВ. С этой целью были разработаны нормы допустимого облучения (кстати сказать, большой вклад в эту работу внесли учёные нашей академии). В зоне  сформировавшейся волны нормируется  интенсивность ЭМВ. Допустимой считается интенсивность менее 0,1 Вт/м² (или 10 микроватт на см).Многочисленные исследования подтвердили, что при такой интенсивности излучения даже при длительном воздействии не наблюдается никаких патологических изменений. Значительно сложнее нормирование в зоне несформировавшейся волны, то есть в непосредственной близости к излучателю (ситуация, нередкая, например, на корабле).Здесь приходится измерять напряжённости электрической и магнитной составляющей и учитывать другие условия облучения. В любом случае контроль за соблюдением норм облучения является важной задачей медицинской службы во всех родах войск. Хотя сам факт вредного воздействия электромагнитных волн на человека не вызывает сомнений, механизм их действия до сих пор остаётся неясным. Существующие гипотезы противоречивы и не слишком убедительны. Заметно отличается по своему воздействию излучение КВЧ (миллиметрового диапазона). Прежде всего, это излучение очень сильно поглощается в теле; практически, все падающие на организм миллиметровые волны поглощаются кожей. Поэтому на внутренние органы это излучение может действовать только рефлекторно. Тем не менее, действие КВЧ излучения выражено достаточно отчётливо: оно может вызывать серьёзные патологические изменения, в частности - со стороны сердечнососудистой системы. В то же время, в ряде случаев облучение КВЧ используют и в лечебных целях. Например, хороший эффект даёт применение КВЧ облучения для воздействия на "активные" точки взамен иглоукалывания. При этом, с одной стороны, полностью исключается возможность заражения, в том числе, СПИД-ом, с другой стороны, нередко достигается более выраженный терапевтический эффект. Есть много и других примеров.

41. Индуцированное излучение. Принцип устройства и действия лазера. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров в медицине.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Это вынужденное излучение называют индуцируемым. При нем число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время. Кроме того, эти переходы будут определятся заселенностью соответствующих возбужденных энергетических состояний. Для отдельной частицы равновероятно вынужденное поглощение. Если частица находится в основном состоянии, и излуче­ние, если частица возбуждена. Поэтому даже если число возбужденных частиц в веществе равно числу невозбуж­денных, усиления падающей электромагнит­ной волны не будет. Распределение частиц по энергетическим уровням описывается законом Больцмана. Явление вынужденного излучения используют в квантовых генераторах (усилителях). Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и американскими Ч. Таунсом и др. В I960 г. был создан первый кван­товый генератор видимого диапазона излучения — лазер с рубином в ка­честве рабочего вещества. В том же году был создан разовый гелий-неоновый лазер, воз­буждение в котором возникало при электрическом разряде. Излу­чающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомога­тельную роль. При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 1 на возбужденный 3. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Для создания инверсной населенности нужно каким-то образом увели­чить населенность уровня 3 и уменьшить на уровне 2. Атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 3. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужден­ным атомом неона происходит передача энергии.Для разгрузки уровня S подбирают такой размер газоразрядной трубки, чтобы при соударении с ее стенками атом неона отдавал энергию, переходя с уровня 2 на 1. Так обеспечивается стационар­ная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона. Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазера является газоразрядная трубка 1, обычно кварцевая, диаметром около 7 мм. В трубке при давлении около 150 Па находится смесь гелия и неона. В трубку вмонтированы электроды для соз­дания газового разряда. На концах трубки расположены плоско­параллельные зеркала, одно из них полупрозрачное. Фо­тоны, возникающие при вынужденном излучении, в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности трубки, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: стро­гая монохроматичность, достаточно большая мощ­ность, узость пучка и когерентность.Лазеры используют для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), для голографии, для прожигания малых отверстий, как средство связи и т.д.

Лазер находит приложение и в медицине. Первое - свойство лазеров разрушать биологические ткани, что совместно с коагуляцией белка позволяет производить некоторые бескровные рассечения.

Второе направление связано с голографией. Так, например, на основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

42сравнение тепловых эффектов электромагнитного поля УВЧ- и СВЧ- диапозонов в проводнике и диэлектрике

К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны: = 3*10-7 до 1 метра- длинные, средние, короткие и УКВ диапазоны, иРадиоволны.1до 10-5 метра – микроволновый диапазон. Радиоволны, взаимодействуя в биологическими структурами могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе и цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма.= 3*10-7 до 1 метра- длинные, средние, короткие и УКВ диапазоны, и Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны:

УВЧ-терапия. - метод электролечения, основанный на воздействии на организм больного преимущественно ультравысокочастотного электромагнитного поля. При проведении лечебной процедуры участок тела, подвергаемый воздействию э. п. УВЧ, помещают между двумя конденсаторными пластинами-электродами таким образом, чтобы между телом больного и электродами имелся воздушный зазор, величина которого не должна меняться в течение всей процедуры. Физическое действие э. п. УВЧ заключается в активном поглощении энергии поля тканями и преобразовании ее в тепловую энергию, а также в развитии осцилляторного эффекта, характерного для высокочастотных электромагнитных колебаний. Тепловое действие УВЧ-терапии меньше выражено, чем при индуктотермии. Основное теплообразование происходит в тканях, плохо проводящих электрический ток (нервная, костная и т.д.). Интенсивность теплообразования зависит от мощности воздействия и особенностей поглощения энергии тканями.

Сверхвысокочастотная терапия (СВЧ-терапия) — метод электролечения, основанный на применении электромагнитных излучений с частотой от 300 МГц до 30 кГц. На практике для С. т. используются два вида СВЧ-волн — сантиметровые и дециметровые.При воздействии на поверхность тела (контактным путем или дистанционно) энергия СМВ-излучения в наибольшей степени поглощается тканями с максимальным содержанием воды (кровь, лимфа, мышцы), в связи с чем глубина ее проникновения в тело составляет 3—5 см. Поглощенная энергия вызывает образование в тканях тепла (главным образом в мышцах, а также в коже и подкожной клетчатке), которое является основным действующим фактором этого лечебного метода. Локальное повышение температуры создает поток афферентной импульсации в соответствующие сегменты спинного мозга, вегетативные ганглии и таламогипофизарные центры. В результате воздействия микроволн происходит расширение кровеносных сосудов с увеличением по ним кровотока; при гипертонической болезни I—II А стадии снижается АД, улучшается коронарное и центральное кровообращение, функция внешнего дыхания при хроническом бронхите; повышается содержание в крови АКТГ, соматотропного гормона, кортизола, тироксина, инсулина, уменьшается содержание трийодтиронина (чрезмерная интенсивность СМВ-воздействия оказывает обратный эффект). Большие значение в механизме лечебного действия микроволн имеет выделение из связанного состояния кортикостероидных гормонов, серотонина, гистамина и других активно действующих веществ.