Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

красным светом, а при очень высокой температуре - белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.

Использую законы излучения можно определить температуру тел по изменениям мощности излучения.

У здоровых людей распределение температуры по разным участкам тела достаточно равномерно в пределах выбранного участка. Но при воспалении, опухолях температура в области из локализации изменяется.

Достаточно чувствительные датчики ИК - излучения дают возможность с точностью до десятых долей градуса определить распределение температуры в интересующем нас участке кожной поверхности. Так работают тепловизоры у которых температурное поле в псевдоцвете (каждому узкому температурному интервалу соответствует на экране определенный цвет) передается на теле экран. Такому методу диагностики хорошо поддаются подкожные процессы.

Тепловидение находит в клинике применение в качестве простого и безопасного метода диагностики различных воспалительных и опухолевых процессов.

21. Инфракрасное излучение и его применение в медицине. Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине.

Инфракрасное излучение представляет собой часть солнечной радиации в диапазоне длин волн от 670 до 3400 нм.

Инфракрасное изучение оказывает прежде всего тепловое действие. Кроме того, в настоящее время установлен целый ряд биологических эффектов.

Тепловой эффект определяется прежде всего длинной волны. Длинноволновая часть инфракрасного излучения (более 1400 нм) задерживается поверхностными слоями кожи, благодаря чему происходит их разогрев, появляется чувство жжения. Вследствие такого эффекта длинноволновая часть излучения называется «палящими лучами». При достаточной интенсивности излучения возможна эритема и ожог.

Коротковолновая часть излучения проникает в ткани на глубину около 3 см, в результате чего может вызывать разогрев тканей, в том числе мозговых оболочек. Именно воздействием коротковолнового инфракрасного излучения обусловлено такое явление как солнечный удар. Кроме того, оно вызывает перегрев и помутнение хрусталика, что ведет к развитию катаракты.

Источником инфракрасного (ИК) излучения является любое нагретое тело. Инфракрасное излучение составляет до 45-50% солнечного излучения, падающего на Землю. В искусственных источниках света (лампа накаливания с вольфрамовой нитью) на его долю приходится 7080% энергии всего излучения.

Обычно для получения инфракрасного излучения в медицине используют специальные инфракрасные лампы, электрические нагрева-

81

Физика	стоматологический факультет

тельные элементы, квантовые (лазерные) полупроводниковые генераторы.

Инфракрасные лучи служат средством переноса тепла Происходящее при поглощении энергии ИК излучения образование тепла приводит к локальному повышению температуры облучаемых кожных покровов на 1-2 °С и вызывает местные терморегуляционные реакции поверхностной сосудистой сети.

Сосудистая реакция выражается в кратковременном спазме сосудов (до 30 с), а затем увеличении локального кровотока и возрастании объема цирулирующей в тканях крови. Выделяющаяся тепловая энергия ускоряет тканевой обмен веществ. Активация микроциркуляторного русла и повышение проницаемости сосудов способствует дегидратации воспалительного очага и удалению продуктов распада клеток. Активация пролиферации и дифференцировки фибробластов приводят к ускорению заживления ран и трофических язв. Также осуществляется нейрорефлекторное воздействие на внутренние органы, которое проявляется расширением сосудов этих органов, усилением их трофики.

Таким образом, основными лечебными эффектами применения ИК является противовоспалительный, лимфодренирующий, сосудорасширяющий.

Ультрафиолетовое излучение представляет собой часть сол-

нечной радиации с длиной волны от 10 до 400 нм.

Ультрафиолетовые лучи с длинной волны от 10 до 290 нм не достигают земной поверхности. Свойства ультрафиолетового излучения с разной длинной волны неодинаковы. Наиболее короткие волны (от 10 до 200 нм) по своему действию приближаются к ионизирующему излучению. Эта область получила название озонирующей. Энергия ультрафиолетового излучения с длинной волны от 200 до 400 нм не достаточна для возбуждения атомов, здесь преобладают фотохимические реак-

ции.

Для нас наибольшее значение имеет часть спектра от 200 до 400 нм. Эту зону делят на

область С - от 200 до 280 нм область В - от 280 до 320 нм область А - от 320 до 400 нм

Область С называют бактерицидной. Преимущественным действием ультрафиолетового излучения в этой области является бактерицидное действие, что широко используется для обеззараживания воды, воздуха и тд. Бактерицидным действием обладают также области В и А, но в значительно меньшей степени.

Область В называется эритемной, т.к. под влиянием ультрафиолетового излучения этой области возникает эритема. В области В также очень выражено витаминообразующее действие. Наиболее мощным витаминообразующим эффектом обладает область с длинной волны от

265 до 315 нм.

82

Ответы на экзаменационные вопросы

Область А получила название загарной. Под воздействием ультрафиолетового излучения этой области возникает загар - образование меланина, что представляет собой защитную реакцию организма.

Роль УФИ очень велика. Оно повышает тонус организма, умственную и физическую работоспособность, сопротивляемость к инфекциям, стимулирует деятельность желез внутренней секреции, кроветворение.

Под действием ультрафиолетового излучения образуются витамин D, гистамин, тканевые гормоны, пигменты.

Применение ультрафиолетовых лучей в лечебных целях при хорошо подобранной индивидуальной дозе и четком контроле дает высокий терапевтический эффект при многих заболеваниях. Он складывается из обезболивающего, противовоспалительного, десенсибилизирующего, иммуностимулирующего, общеукрепляющего действия. Их использование способствует эпителизации раневой поверхности, а также регенерации нервной и костной ткани.

22. Люминесценция, её основные отличия от теплового излучения. Фотолюминесценция, её основные параметры. Правило Стокса. Применение фотолюминесценции в медицинских исследованиях.

Люминесценция

Переход электрона с одной орбиты на другую происходит с излучением кванта света. При переходе электрона на более высокий энергетический уровень (когда ему сообщается дополнительная энергия) атом тоже получает дополнительную энергию и переходит на свой, более высокий энергетический уровень.

Возбужденный уровень

hν

Основной энергетический уровень атома

При возвращении на основной уровень энергия излучается в виде кванта света.

Люминесценция – излучение тела в оптическом диапазоне, представляющее собой избыток над тепловым излучением при данной температуре тела и имеющий длительность, значительно превышающую период световой волны.

83

Физика стоматологический факультет

	Тепловое излучение		Люминесценция
	1. Универсальное (все тела излучают)	1. Избирательное свойство
	2. Может принимать равновесный харак-	2. Не может принимать равновесный ха-
		рактер, т.к.	люминесценция прекращает-
	тер, т.е. тело получает в единицу времени
		ся, если израсходуется энергия того про-
	столько, сколько излучает.
		цесса, который ее вызывает.
	3. Спектр излучения – вся шкала элек-	3. Спектр излучения – только видимая
	тромагнитных волн.	область
	4. При тепловом возбуждении на более	4. На определенных более высоких энер-
	низких энергетических уровнях находится	гетических	уровнях может находиться
	большее число атомов.	значительно большее число атомов, чем
		на нижележащих.

Фотолюминесценция:

1.Флюоресценция t<10-3 (время после выключения источника)

2.Фосфоресценция t>10-3

E3		~hν'		3				E2
hν	1 ~hν 2
		~hν''

E1

Рис. 32. Схема перехода атома на различные энергетические уровни.

Под воздействие излучения атом переходит в возбужденное состояние, дальнейшее его поведение классифицируют следующим образом:

1.Резонансная люминесценция (с возвращением атома на основной уровень)

2.Возвращение на основной уровень с излучением фотонов меньшей частоты, чем в первом случае. При этом некоторые ступени могут не сопровождаться излучением, так как возбужденный атом частично передает энергию при столкновениях с невозбужденным атомом.

3.У сложно организованных молекул и кристаллов возможен переход

из возбужденного состояния на промежуточный уровень Е2, переход с которого на Е1 маловероятен. Такой уровень называется метастабильным. На нем может происходить накопление молекул или атомов.

84

Ответы на экзаменационные вопросы

Закон Стокса для фотолюминесценции.

Спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн (коротких частот) относительно спектра вызывающего эту люминесценцию.

E3	Без излучения
		hν
hν			hν'
	~hν'

E1

Рис. 33. Схема перехода атома на различные энергетические уровни.

c c

h h ' h h '' '

I Возбуждающая линия

стоксово излучение

λ

λ

антистоксово излучение

Рис. 34. График зависимости интенсивности света от длины волны.

Антистоксово излучение возникает при возбуждении частицы, которая уже была возбуждена.

Основные параметры люминесценции. Применение люминесцентных методов в медицине.

1. Спектр люминесценции – распределение интенсивности излучаемого люминесцирующим веществом света по длинам волн или частотам под воздействием одной возбуждающей линии.

85

Физика	стоматологический факультет

УФ

Разные цвета

2. Спектр возбуждения люминесценции – интенсивность выде-

ленной из спектра люминесценции линии в зависимости от длины волны возбужденного света.

I

Разные цвета

фиолетовый

λ

Рис. 35. График зависимости интенсивности света от длины волны.

3. Квантовый выход

			Iл	, где Iл – число излученных квантов;
		I 0	I
I0-I – число поглощенных квантов
		I0				I

Применение

Для макрообъектов:

Если квантовый выход больше 1%, то такие вещества легко обнаруживаются люминесцентным методом.

При возбуждении люминесценции в УФ области (λ=365нм) легко обнаружить грибковые инфекции волос (желто-зеленая люминесценция).

Некоторые соединения, не обладающие собственной флюоресценцией, после химической обработки дают продукты с высоким квантовым выходом (определение наркотиков до 0,02 мкг в крови).

Микрообъекты распознают с помощью люминесцентных микроскопов, в которых в качестве осветителя применяются источники УФ - излучения.

86

Ответы на экзаменационные вопросы

окуляр	фильтр 2 – выделяет свет люминес-
	ценции определенной длины волны

Л объектив

препарат

фильтр 1 – выделяет из спектра источника определенную длину волны

Источник

излучения

Рис. 36. Схема строения микроскопа.

23. Вынужденное излучение. Основные свойства лазерного излучения. Принцип работы гелий-неонового лазера. Применение лазерного излучения в медицине (в хирургии, в терапии).

Лазер создает интенсивные пучки когерентного монохроматического излучения как результат вынужденного (индуцированного) перехода атомов между определенными энергетическими уровнями. Это излучение обладает высокой степенью поляризации. Переход атомов и молекул из возбужденного состояния в основное может быть либо самопроизвольным (спонтанным), либо вынужденным под действием фотона той же частоты, что и испускаемый атом. Однако обычные источники практически не испускают вынужденное излучение. В них в любой момент времени имеется гораздо больше атомов в основном состоянии, чем в возбужденном. Следовательно, фотон, пролетая через вещество, с большой вероятностью встретится с атомом в основном состоянии и будет поглощен им, чем встретится с возбужденным атомом и стимулирует его излучение. Атомы излучают хаотично, когерентность отсутствует.

Чтобы создать с помощью индуцированного излучения интенсивные пучки когерентных электромагнитных волн нужно:

87

Физика	стоматологический факультет

1.Найти подходящее активное вещество и выбрать два состояния, между которыми возможен переход атомов, сопровождающийся индуцированным излучением.

2.Придумать способ возбуждения атомов, т.е. перевода их в верхнее энергетическое состояние.

3.Сформировать пучок индуцирующих фотонов в определенном направлении.

Принцип работы He-Ne лазера

Активная среда – смесь гелия и неона в отношении 10:1

Источники высокого напряжения

После включения источника питания через смесь протекает электрический ток (газовый разряд)

Атом He, возбуждаясь при столкновении с электронами, переходит на более высокие энергетические уровни (E2,E3).

E3

E2

E1

He

	E5	λ=632нм (красный)
	E4	λ=1153нм
	E3	спонтанный
	E2
		столкновение со
	E1	стенкой трубки
		Ne

Рис. 37. Схема перехода атомов на различные энергетические уровни.

При столкновении атомов гелия с атомами неона, находящимися в основном состоянии, атомы гелия передают им энергию возбуждения и атомы неона заселяют уровни Е5 и Е4, которые являются метастабиль-

ными. Переход E5 E3 дает фотоны в красной области, E4 E3 - в

инфракрасной области. Теряя энергию, атом ступенчато возвращается в основное состояние.

Для стимуляции лазерного перехода с λ=632 нм газов трубку помещают между двух зеркал, одно из которых полупрозрачное. Резонатор (система двух зеркал) настроен таким образом, что между зеркалами образуется стоячая волна. Часть излучения выходит через полупро-

88

Ответы на экзаменационные вопросы

ницаемое зеркало. Остальные фотоны стимулируют лазерный переход. Для стимуляции другого перехода надо перестроить резонатор.

резонатор

Для уменьшения потерь на отражении выходные окошки газоразрядной трубки расположены под углом Брюстера. Волна, электрический вектор которой лежит в плоскости падения пучка на окошко (изнутри) проходит без потерь на отражение. Волны с другим направлением поляризации будут испытывать отражение, что приведет к дополнительным потерям и подавлению генерации таких волн.

Основные свойства лазерного излучения:

1.Строгая монохроматичность ( 0,01нм )

2.Большая мощность

3.Узость пучка

4.Когерентность

Применение лазеров в медицине

Лазеры классифицируются по интенсивности выходного излучения:

низкоинтенсивные (до 10 Вт) и высокоинтенсивные лазеры. Для полу-

чения биологических следствий необходимо, чтобы кванты лазерного излучения были поглощены молекулами тканей – хроматофорами, имеющими полосы поглощения в этой области. Основные поглотители биологической ткани в УФ области – белки, нуклеиновые кислоты, в видимой области – меланин, гемоглобин, в инфракрасной области – вода.

						Биохими-
	молекула в		Возбуж-		молекула в
hν						ческие ре-
	основном		денное со-		основном
						акции (те-
					состоянии
	состоянии		стояние			рапия)

тепло (хирургия)

89

Физика	стоматологический факультет

Лазерная хирургия.

Используются высокоинтенсивные лазеры, генерирующие излучение в ИК области. С помощью лазеров можно создать большую плотность энергии на облучаемом участке тела. При этом температура облучаемой поверхности достигает 600˚С, что вызывает испарение ткани с термическим распадом биологических молекул. Плюсы: высокая степень асептики, коагуляция мелких сосудов. Используют при проведении различных операций во многих областях хирургии.

Лазерная терапия – облучение поверхности тела. Внутривенное облучение крови низко интенсивными лазерами. Вызывает противовоспалительный, биостимулирующий, иммунокоррегирующий эффект, при облучении после заживления ран и трофических язв.

24. Классификация ионизирующего излучения. Основные параметры, характеризующие его взаимодействие с веществом. Корпускулярное ионизирующее излучение (положительно и отрицательно заряженные частицы). Нейтронное излучение.

Ионизирующее излучение (ИИ) – потоки частиц и электромаг-

нитных квантов (фотонов), взаимодействие которых с любым веществом, независимо от его химического состава и агрегатного состояния, приводит к ионизации атомов и молекул.

Ионизирующее излучение (ИИ) подразделяется на два основных вида: фотонное и корпускулярное.

К корпускулярному ИИ относятся потоки заряженных частиц (потоки ускоренных электронов, протонов, дейтронов, нейтронов и тд.)

Фотонное ИИ включает излучение радиоактивных изотопов, характеристическое и тормозное излучение, генерируемое различными ускорителями электронов.

Корпускулярное ионизирующее излучение

К этому виду излучения относятся частицы: протоны и дейтроны, тяжелые ядра и их осколки. Эти частицы характеризуются большей массой и зарядом по сравнению с другими видами ИИ. Их траектории прямолинейны, поэтому длина траектории и средняя длина свободного

пробега равны R R .

Движение «тяжелых» положительных частиц сопровождается «волновой» ионизацией, возникающей в результате кулоновского взаимодействия с атомами поглощающего вещества.

Необходимо отметить, что ионизация, создаваемая положительно заряженными частицами, неравномерна вдоль трека частицы. Плотность ионизации в области пика в сотни раз превышает плотность в на-

90