6.6. Фотобиологические процессы

Фотобиологическими называют процессы, которые начинаются с поглощения квантов света молекулами, а заканчиваются физиологической реакцией организма.

К ним относятся фотосинтез, зрение, загар и эритема кожи, фотопериодизм и многие другие.

Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:

1. поглощение кванта света молекулой;

2. внутримолекулярные процессы размена энергии;

3. межмолекулярные процессы переноса энергии электронно-возбужденного состояния;

4. первичный фотохимический акт, сопровождающийся образованием короткоживущих, нестабильных фотопродуктов, в него молекула вступает из нижнего синглетного или триплетного возбужденный состояний;

5. реакции нестабильных фотопродуктов, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;

6. биохимические реакции с участием фотопродуктов;

7. физиологический ответ на действие света.

Первые три стадии одинаковы для фотохимических реакций и фотолюминесценции.

Важной характеристикой воздействия света на биологические объекты является спектр фотобиологического действия – зависимость биологического эффекта от длинны волны действующего света. Спектры действия позволяют определить, какая область спектра наиболее эффективно вызывает биологический процесс, а также определить природу молекул, ответственных за поглощение света в данном процессе.

Фотохимические реакции, инициируемых светом в тканях, могут иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Известны терапевтические эффекты оптического излучения, осуществляемые за счет поглощения света молекулами, содержащимися в биологических тканях. Так, например, УФ-В-облучение кожи используется для лечения кожного заболевания – псориаза.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем смысл гипотезы де Бройля?

2. Сформулируйте постулаты Бора.

3. Что называется энергетическим уровнем?

4. Какие переходы соответствуют спектральной серии Пашена?

5. Какое излучение называется спонтанным?

6. В каких устройствах используется индуцированное излучение?

7. Что представляет собой люминесценция?

8. Какие процессы называются фотобиологическими? Перечислите основные стадии этих процессов.

Список литературы

Основная

1. Пронин, В.П. – Краткий курс физики/ В.П. Пронин. – Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.

2. Рогачев, Н.М. – Курс физики. Учебное пособие/ Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с.

3. Основы физики и биофизики./ А.И. Журавлев [и др.] М.: Мир. 2005. – 384 с.

Дополнительная

1. Белановский, А.С. Основы биофизики в ветеринарию/А.С. Белановский. – М.: Агропром–ИЗДАТ, 1989-271с.

2. Грабовский, Р.И. – Курс физики. 6-е изд./ Р.И. Грабовский – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2002.- 608 с.

3. Медицинская и биологическая физика: Учеб. Для вузов/ А.Н. Ремизов [и др.] – 4-е изд., перераб. и дополн.. – М.: Дрофа, 2003. – 560 с.

Лекция 7 ионизирующие излучения. Основы дозиметрии

7.1. Рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское излучение

Большую роль в исследованиях строения и свойств электронных оболочек сложных атомов, при изучении строения молекул и кристаллических решеток твердых тел сыграли лучи, открытые в 1895 году Рентгеном, названные рентгеновскими лучами. Это электромагнитное излучение с длиной волны от 80 нм до 0,0001 нм. В медицине используется рентгеновское излучение в диапазоне от 10 до 0,005 нм, что соответствует энергии фотонов от 10² эв. до 0,5 Мэв.

Рентгеновское излучение невидимо для глаза. Рентгеновские лучи обладают сильным фотохимическим действием, вызывают почернение фотопластинки. Обладают высокой способностью ионизировать газы, вызывают флуоресцентное свечение люминофоров. Это используют как способ обнаружения рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи проходят через непрозрачные для обычного света тела: дерево, металл, кость, мышечную ткань и т. д. Более плотные вещества поглощают рентгеновские лучи сильнее, чем менее плотные. Это используется в технике и медицине для исследования внутреннего строения тел.

Рентгенография – исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу.

Рентгенодиагностика – обнаружение изменений в организме.

Рентгенодефектоскопия – выявление дефектов в деталях машин.

Рентгеновские лучи используют в лечебных целях (например, облучение злокачественных опухолей).

По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на характеристическое и тормозное.

Характеристическое излучение вызывается при переходах электронов, находящихся во внутренних слоях атомов. Для этого необходима энергия возбуждения, порядка 10⁴-10⁵ эВ. Электрон с какой-либо из электронных оболочек переходит на достаточно далекий возбужденный уровень. При этом с более высокого энергетического уровня на освободившееся место может перейти электрон, излучая фотон с частотой, равной разности уровней энергии перехода.

Свободное место может образоваться на любой из оболочек K,L,M и т.д., а переход электрона может происходить с более высоких уровней (оболочек).

Этот процесс сопровождается излучением, состоящим из множества фотонов и имеющее линейчатый спектр.

Возникновение некоторых серий характеристического излучения показано на рисунке 31.

Рисунок 31.

К – серия, высокочастотная, самая жесткая. В пределах этой серии линия Кα является наиболее мягкая. Серии L и М являются более мягкие. Жесткость рентгеновского излучения растет с увеличением заряда атомного ядра, т.е. с увеличением атомного номера элемента. Эта зависимость выражена законом Мозли (1913 г. англ. физик). «Корень квадратный из частоты ν, соответствующей данной линии характеристического рентгеновского излучения, является линейной функцией атомного номера Z элемента:

,

где a и b – постоянные величины.

Рентгеновская трубка является источником рентгеновского излучения. (рис.32)

Рисунок 32.

Трубка представляет собой стеклянную колбу – Б с высоким вакуумом порядка 10^-6 – 10^-7 мм.рт.ст. А – анод (металл). На скошенном торце пластика З (зеркальце). К – катод (в виде спирали). Между анодом и катодом приложено высокое напряжение, достигающее 10⁵ вольт. Электроны электрическим полем разгоняются до скоростей V=100 000 км/с, и ударяются об анод. проникают вглубь зеркальца, взаимодействуют с атомами вещества и тормозятся полем его атомов. Происходит коротковолновое электромагнитное излучение, которое называется тормозным рентгеновским излучением. И имеет сплошной спектр.

Одновременно с тормозным излучением образуется и характеристическое излучение (до нескольких процентов).

Граница спектра со стороны коротких волн, общий поток излучения, распределение энергии по длинам волн зависят в основном от следующих величин:

1. Напряжения между анодом и катодом.

2. Количества электронов, участвующих в образовании излучения, т.е. силы в трубке.

3. Атомного номера вещества анодов.

При данном напряжении U спектр со стороны коротких волн ограничен λ_к, которая соответствует фотонам с максимальной энергией. При увеличении напряжения U на трубке мощность излучения возрастает и максимум энергии излучения сдвигается в сторону более коротких волн.

Коротковолновое тормозное излучение λ_к возникает при приобретении электроном энергии в ускоряющем поле, которая полностью переходит в энергию кванта.

,

отсюда: ,

преобразуем эту формулу: (А°),

где λ_к – в А° (ангетрем); U – в кВ. Эта формула удобна для практических целей.

Или (нм)

Коротковолновое излучение (порядка 0,01 нм и меньше) имеет высокую энергию фотонов и обладает большой проникающей способностью и называется жестким. Более длинноволновое (от 0,01 нм и более) обладает не большой проникающей способностью и называется мягким излучением.