Zanimatelnaya_fizika

Фотопоглощение – главный процесс поглощения квантов с относительно низкой энергией hν, но достаточной для ионизации. Основной процесс поглощения энергии рентгеновского излучения при энергии квантов (Еквант) = 200кэВ. При фотопоглощении квант с энергией hν превосходит энергию связи электронов в атоме Ек, выбивает его, и сообщает новую кинетич энергию: hν=Ек+Екин. Свободное место занимается новым электроном.

Эффект Комптона – рассеяние квантов электромагнитного излучения на свободные электроны. Частица может иметь скорость (с=3*108м/с). Формула Эйнштейна: Е=mc2, слно, m=hν/c2, тогда импульс кванта: p=mc=hν/c.

Образование пар. hν=>е0-1+е0+1 (1)

Позитрон – античастица электрона – имеет m=me, но «+» заряд (0,511 МэВ) hν>0,511+0,511=1,022МэВ

превращение (1) произойдет, если hν>1,022МэВ оказывается в поле атомного ядра. Она реализуется, как Екин электрона и позитрона, поделенного между ним поровну. Энергия растет и увел-ся образование пар. Быстрый электрон тормозится, становится источником рентгеновского излучения, позитрон – рассеивает Екин. Образ-ся 2 кванта с энергией 0,511 МэВ, имеющие противоположное направление.

Виды взаимодействия с веществом:

1.α-частица, главным образом ионизирует атомы ве-ва 2.β-частица – возбуждает атомы ве-ва

3.Протоны и нейтроны могут как ионизировать, так и выдавать ядерные реакции. Нейтронное излучение – самое вредное для организма электромагнитное излучение. Взаимодействие по 4-м схемам:

Когерентное взаимодействие – зависит от состояния энергии ионизации изм-ся только

угол

	Eион>hν
	●
hν	hν`

hν=hν`

Фотоэффект : hν≥Eиониз hν=Eиониз+mυ2/2

ӗ

●

hν

Комптонэффект hν>Eиониз hν=Eиониз+hν`+mυ2/2

●	ӗ
hν hν`
Квантовый эффект	Еиониз>hν
	hν→e-+e+
	Eγ=hν=2mec2
Z●

_____________________________________________________________________________

__________

5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы активности радиоактивных препаратов.

Радиоактивный распад – явление самопроизвольного распада атомных ядер, сопровожд потоками излучения, имеющих большую энергию и высокую ионизирующую способность.

α-распад. α-частицы это ядра Не24 β-распад. Распад искусственно созданных радиоактивных изотопов β+-поток позитронов γ-распад сопровождается α- и β-распадом.

1.ρ ядер вещества большая

2.в атомном ядре – все протоны взаимно отталкиваются, но они стабильны, т. к. их взаимодействие более активно.

3.Процессы подчиняются законам квантовой механики. Особенности радиоактивного распада:

Энергия α,β,γ-частиц при распаде постоянна

Распад нестабильных атомных ядер сопровождается «осколками» определенного вида: α,β-,β+-частиц

Вероятность распада 1-го ядра в единицу времени постоянна.

Закон радиоактивного распада:

N=N0e-λx

N – число нераспавшихся ядер

N0 – число нераспавшихся ядер в нач момент времени λ – постоянная распада (const)

Nt

N0			T1/2 – период полураспада		T1/2: от 10-8сек до
1/2N0			λ=ln2/T1/2	T1/2=ln2/λ
1010 лет
0		T1/2	t

Активность радиоактивных препаратов.

1.Беккерель – 1 Бк = 1распад/сек=1,1/с

2.Кюри – 1Кu=3,7*1010Бк=3,7*1010 1/с

Активность препарата как функция времени

N`=dN/dt=>dN/dt= – λN0e-λt

Удельная активность – величина, измеряемая в единицах активности на см3 (мКu/см3).

6 Закон ослабления ионизирующих излучений. Коэффициент линейного ослабления. Толщина слоя половинного ослабления. Массовый коэффициент ослабления.

Ослабление рентгеновского излучения в веществе описывается законом Бугера:

I = I0e-mx

(3)

I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х;	I0 – интенсивность
излучения при х = 0, т.е. на входе в преграду; m - коэффициент линейного ослабления
излучения. Он сложным образом зависит как от свойств вещества,	так и от свойств

	излучения. d1/ 2	=	ln2	;		ln2 , где d1/2 – слой половинного ослабления, т.е. ослабления
			μ		μ =
						d1/ 2

в два раза. Любая толщина преграды ослабляет излучение в какое-то количество раз, но не до гарантированного нуля.

Массовый коэффициент ослабления μ = μρ , где p - плотность вещества-поглотителя.

Величина m/ имеет размерность м2/кг.

7. Основы биологического действия ионизирующих излучений: ионизация молекул, образование свободных радикалов. Лучевая болезнь.

Время течения процессов				Облучение						Этапы поражения
10-12-10-3 с				Поглощение		энергии		излучения.		Первичное взаимодействие
				Ионизация		с	возбуждением			и	радиохимические
				молекул						реакции
Секунды - часы				Нарушение				структур		Поражение клеток
				обеспечивающих			функцию		и
				наследственность				клеток.
				Изменение ф-ии и морфологии
				клеток и их гибель.
Минуты - месяцы				Нарушение		функционирования				Поражение организма
				органов	и	систем		и	их
				морфологическое изменение.
Годы				Отдаленные			соматические			Поражение популяции
				эффекты (Сокращение жизни,
				опухоль)
Неопределенное время				Генетические			последствия			Поражение популяции
				облучения			(наследственные
				заболевания).
Образов свободных радикалов
1)
H20 + источник излуч.			H20*		H20+ + e
H20 + e		H20-
H20-	OH- + H.
OH-	OH. + e
2)
RH	RH*	R. + H.
RH	RH+	+ e

_____________________________________________________________________________

__________

8. Получение и применение радиоактивных препаратов для диагностики и лечения.

Медицинская радиология – область медицины разрабатывающая теорию и практику применения радиоактивных веществ в медицинских целях.

Диагностическая Терапевтическая Лучевая диагностика – рентгенологические методы, радионуклеидные методы,

ультразвуковой метод, магнитно-резонансная томография, позитронная, медицинская томография.

Рентгеновское излучение:

1)Разное поглощение различными тканями организма µ=кρz3λ3

2)Ионизация тканей организма. Используется в лучевой терапии.

3)Световозбужд. эффект.

4)Фотохимический эффект.

Разложение бромистого серебра, находящегося в водной эмульсии.

Рентгенография – исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу (трубка, пациент, пленка в кассете ).

Преимуществ:

-малая лучевая нагрузка на пациента

-разрешающая способность = 40 линий на см Недостатки:

-нельзя изучать двигательные функции

-большая стоимость

-получение снимка на диагностику через какое-то время. Рентгеноскопия:

Схема: рентгеновская трубка, пациент, экран. Преимущество:

-можно изучать на органах движения

-быстрота и экономность

Недостатки:

-Большая лучевая нагрузка (экспозиция на минуты)

-плохо видны мелкие детали = 10 линий на см

-адаптация зрения

ФЛГ Схема:

Рентгеновская трубка, пациент, светящийся экран Преимущества - короткое время, группа риска

-дешево

Недостатки

-специальный прибор

-мелкие детали видны плохо

-лучевая нагрузка на 5% больше, чем при рентгенографии Цифровая рентгенография Схема: рентгеновская трубка, пациент, блок, нет пленки

Электрические сигналы с датчиков подаются на компьютер. Преимущества:

-Установка основных параметров съемки управляется компьютерным оператором

-Результаты исследований появляются на мониторе через 1 секунду, сохраняются в базе данных

-Значительно сокращается нагрузка

Компьютерная томография - метод неразрушающего послойного (послойное изображение)

исследования внутренней структуры объекта.

В диагностике: радиоактивные изотопы, скорость крови, количество воды в организме.

9. Методы регистрации ионизирующего излучений: счетчик Гейгера, сцинтилляционный датчик, ионизационная камера.

Схема:

Счетчик Гейгера регистрирует поштучно каждую a- или b-частицу, проникающие в него. Для регистрации a-частиц и мягкого b-излучения рабочей поверхностью счетчика, обращенной навстречу потоку частиц, делают торец прибора, закрытый тонкой пленкой и тогда частицы ионизируют газ, заполняющий прибор. Такая конструктивная разновидность прибора называется торцевой счетчик.

Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку излучения боком, т.е. цилиндрической поверхностью. Главную роль при обнаружении b-частиц играет при этом материал катода, выполненного в виде металлического напыления на стекло изнутри или в виде цилиндрической трубки из металла.

Особенность счетчика Гейгера состоит в том, что если ионизирующее излучение оставляет в нем хотя бы один вторичный электрон, вызвавшая его появление частица будет зарегистрирована. В пространстве между катодом и анодом создано сильное электрическое поле, особо неоднородное вблизи нити анода. Даже единичный свободный электрон в таком поле становится инициатором целой лавины из электронов и ионов, возникающих на его пути. Такие возникающие и исчезающие лавины воспринимаются блоком счета как импульсы, которые этот блок и подсчитывает.

Что касается квантов рентгеновского или g-излучения, то далеко не каждый из них оставит свой след в таком приборе. Доля квантов, оставивших след в счетчике Гейгера, очень сильно зависит от энергии квантов.

Эффективностью детектора называется процентная доля частиц, им регистрируемых. Счетчик Гейгера имеет для рентгеновского и g-излучения низкую эффективность.

Сцинтилляционный датчик.

Квант, претерпевая в объеме кристалла многоступенчатое рассеяние, выбивает электроны на всех изломах своей причудливой траектории. Выбитые электроны, тормозясь, возбуждают атомы кристалла, и на пути кванта остается цепочка световых вспышек. Примесные атомы таллия делают эти вспышки более яркими.

В контакте с кристаллом находится электронный прибор, который называется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Фотокатод этого устройства представляет собой тонкий слой металла щелочной группы, напыленный изнутри стеклянного корпуса.

Чем больше Е кванта, тем больше суммарная яркость вспышек		V кристала
Больше число фотоэлектронов	больше амплитуда электр.	импульса на выходе
ФЭУ.

Сцинтилляционный счетчик может не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию.

Когда данные о составе и энергетическом спектре излучений известны, и необходимо регистрировать только интенсивность потока излучения, применяются простые и надежные приборы – ионизационные камеры.

Детектор, реагирующий на излучение – стеклянный корпус, в котором помещены 2 электрода. Пространство между электродами заполнено газовой смесью. Напряжение между электродами невелико, так что между обкладками этого конденсатора происходит несамостоятельный разряд: ток протекает только при наличии ионизатора; сила тока пропорциональна «производительности» ионизатора, т.е. интенсивности исследуемого потока излучения.

10. Дозиметрия. Понятие о поглощенной, экспозиционной и эквивалентной дозе и их мощности. Единицы их измерения. Внесистемная единица – рентген.

Дозиметрия - система единиц, применяемый для количественной оценки воздействия ионизирующих излучений на организм.

Сложились две параллельные системы единиц: энергетическая и ионизационная. Поглощённая доза – отношение поглощенной энергии к массе облученного вещества:

D=E/m.

Энергетической характеристикой поглощенной дозы в системе СИ является грей: 1 Гр = 1 Дж/кг Мощность поглощения дозы - в грей в секунду:

Отношение поглощенной дозы ко времени ее получения: P=D/t

Экспозиционная доза – суммарный заряд ионов одного знака, возникший в единице массы облученного вещества :Dэксп=q/m; 1кл/кг.

Внесистемная единица экспозиционной дозы рентген (1Р). В аттестуемый поток радиации выставляется «на экспозицию» сухой воздух при н.у. Принимается, что облучаемый воздух получает экспозиционную дозу 1 рентген, если в 1 см3 образуется 2,08*109 пар ионов имеющих суммарный заряд одного знака q= 3.33*10-10 Кл/см3

Одному внесистемному рентгену соответствует 2,58*10-4 Кл/кг «системных» единиц (Кл/кг для 1 кг воздуха).

Мощность экспозиционной дозы – экспозиционная доза полученная в единицу времени:

Pэксп= Dэксп/t (рентген/ч, рентген/с) 1P/ч, 1Р/с

Эквивалентная доза (Dэкв) – поглощенная доза излучения, пересчитаная с учетом биологического действия данного вида излучения Dэкв= Dпогл*f

Единица измерения 1 Зиверт (Зв) – количество излучения дающего тот же биологический эффект, что и доза в 1 Гр.

Мощность экв-й дозыэквив. доза полученная в единицу времени.

Рэкв=Dэкв/t ;Зв/с ; для рентгеновского , гамма – излучения и естественного фона 1мкР/ч=10-2МкЗв/ч

Биомеханика.

1. Второй закон Ньютона. Защита организма от избыточных динамических нагрузок и травматизма.

Второй закон Ньютона: Cила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое той силой ускорение. Формула:

где — ускорение тела, — сила, приложенная к телу, а — масса тела, причём — константа. Закон позволяет вычислить ускорение

тела,если известна его — масса и действующая на тело сила :

В Международной системе единиц (СИ) за единицу силы принимается сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Эта единица называется ньютоном (Н). Ее принимают в СИ за эталон силы :1Н=1(кг*м)/с2

Если на тело одновременно действуют несколько сил (например, и то под

силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил:

Если равнодействующая сила	то тело будет оставаться в состоянии покоя или
равномерного прямолинейного движения.
Существует три вида физических нагрузок:

-статические, при которых имеется длительное напряжение отдельных групп мышц ; - динамические, когда в группах мышц чередуется напряжение и расслабление и

"взрывные", характеризующиеся очень сильным и кратковременным напряжением мышц; -смешанные виды, а также гиподинамия .

Динамические нагрузки могут быть малой, средней и высокой интенсивности. Если физическая нагрузка повышается, потребности организма в энергетическом обеспечении резко повышаются. Растет потребление кислорода.

Наступает "кислородный предел", за которым нагрузка начинает стремительно разрушать организм: идет повреждение мышечной системы, сердца, сосудов, головного мозга, нарушаются газовый, белковый, углеводный, жировой, гормональный и другие виды обмена веществ и т.д.

Для определения физической работоспособности существуют различные способы.

Самым простым способом дозирования нагрузок является определение максимального и субмаксимального пульса. Максимальным пульсом называется частота пульса, которая соответствует той работе сердца, при которой достигается максимально возможное потребление кислорода работающими мышцами. Таким образом, максимальный эффект для здоровья мы получаем при нагрузке, соответствующей субмаксимальному пульсу. Для оценки усталости при нагрузках применяется схема определения внешних признаков усталости.

2. Виды деформации. Закон Гука. Коэффициент жесткости. Модуль упругости. Свойства костных тканей.

Деформация— изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил. виды деформации:

растяжение-сжатие – вид деформации тела, возникающий в том случае, если нагрузка к нему прикладывается по его продольной оси

сдвиг – деформация тела, вызванная касательными напряжениями

изгиб - деформация, характеризующаяся искривлением оси или сединной поверхности деформируемого объекта под действием внешних сил.

кручение- возникает в том случае, если нагрузка прикладывается к телу в виде пары сил в его поперечно плоскости.

Закон Гука — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. В словесной форме закон звучит следующим образом: Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:

Здесь F — сила натяжения стержня, Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а k называется коэффициентом упругости (или жёсткости).

Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения S и

длины L), записав коэффициент упругости как

Коэффициент жёсткости равен силе, вызывающей единичное перемещение в характерной точке (чаще всего в точке приложения силы).

Модуль упругости — общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела (материала, вещества) упруго деформироваться при приложении к ним силы.

Абсолютно твердых тел в природе нет, реальные твердые тела могут немного "пружинить" - это и есть упругая деформация. У реальных твердых тел есть предел упругой деформации, т.е. такой предел после которого след от надавливания уже останется и сам не исчезнет.

Свойства костных тканей. Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость.

Прочность кости - это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от конструкции и состава костной ткани. Каждая кость имеет специфическую форму и сложную внутреннюю конструкцию, позволяющую выдерживать нагрузку в определенной части скелета. Изменение трубчатой структуры кости снижает ее механическую прочность. На прочность существенно влияет и состав кости. При удалении минеральных веществ кость становится резиноподобной, а при удалении органических веществ - хрупкой.

Упругость кости - это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды. Она так же, как и прочность зависит от конструкции и химического состава кости.

3. Мышечные ткани. Строение и функции мышечного волокна. Преобразование энергии при мышечном сокращении. КПД мышечного сокращения.

Мышечными тканями называют ткани, различные по строению и происхождению, но сходные по способности к выраженным сокращениям. Они обеспечивают перемещения в пространстве организма в целом, его частей и движение органов внутри организма и состоят из мышечных волокон.

Мышечное волокно представляет собой вытянутую клетку. В состав волокна входят его оболочка - сарколемма, жидкое содержимое - саркоплазма, ядро, митохондрии, рибосомы, сократительные элементы - миофибриллы, а также содержащий ионы Са2+, - саркоплазматический ретикулум. Поверхностная мембрана клетки через равные промежутки образует поперечные трубочки, по которым внутрь клетки проникает потенциал действия при ее возбуждении.

Функциональной единицей мышечного волокна является миофибрилла. Повторяющаяся структура в составе миофибриллы называется саркомером. Миофибриллы содержат 2 вида сократительных белков: тонкие нити актина и вдвое более толстые нити миозина. Сокращение мышечного волокна происходит благодаря скольжению миозиновых филаментов по актиновым. При этом перекрывание филаментов увеличивается и саркомер укорачивается.

Главная функция мышечного волокна - обеспечение мышечного сокращения.

Преобразование энергии при мышечном сокращении. Для сокращения мышцы используется энергия,освобождающаяся при гидролизе АТФ актомиозином,причем процесс гидролиза тесно сопряжен с сократительным процессом. По количеству выделяемого мышцей тепла можно оценить эффективность преобразования энергии при

сокращении.. При укорочении мышцы скорость гидролиза повышается в соответствии с ростом производимой работы. освобождаемой при гидролизе энергии достаточно для обеспечения только совершаемой работы, но не полной энергопродукции мышцы. Коэффициент полезного действия (кпд) мышечной работы (r) представляет собой отношение величины внешней механической работы (W) к общему количеству выделенной в виде тепла (Е) энергии:

Наиболее высокое значение кпд изолированной мышцы наблюдается при внешней нагрузке, составляющей около 50% от максимальной величины внешней нагрузки. Производительность работы (R) у человека определяют по величине потребления кислорода в период работы и восстановления по формуле:

где 0,49 — коэффициент пропорциональности между объемом потребленного кислорода и выполненной механической работой, т. е. при 100% эффективности для выполнения работы, равной 1 кгс м (9,81 Дж), необходимо 0,49 м кислорода.

Двигательное действие / КПД Ходьба/23-33%; Бег со средней скоростью/22-30%; Езда на велосипеде/22-28%; Гребля/1530%;

Толкание ядра/27%; Метание/24%; Поднятие штанги/8-14%; Плавание/ 3%.

4. Изотонический режим работы мышц. Статическая работа мышц.

Изотонический режим (режим постоянного тонуса мышцы) наблюдается при отсутствии нагрузки на мышцу, когда мышца закреплена с одного конца и свободно сокращается. Напряжение в ней при этом не изменяется. Так как при этих условиях величина нагрузки Р = 0, то механическая работа мышцы также равна нулю (А = 0). В таком режиме работает в организме человека только одна мышца — мышца языка.

Статическая работа не предполагает сильного напряжения, однако в некоторых случаях статическая работа мышц может быть очень напряженной, например при удержании штанги, при некоторых упражнениях на кольцах или параллельных брусьях. Такая работа требует одновременного сокращения всех или почти всех волокон мышц и может продолжаться лишь очень короткое время. При динамической работе поочередно сокращаются различные группы мышц, причем некоторые мышцы работают то динамически, производя движение в суставе, то статически, обеспечивая на некоторое время неподвижность костей того же сустава. Степень напряжения мышц может быть различной.

Статическая работа утомляет скелетную мускулатуру больше, чем динамическая.

5. Общая характеристика системы кровообращения. Скорость движения крови в сосудах. Ударный объем крови. Работа и мощность сердца.

К системе кровообращения относятся сердце и сосуды — кровеносные и лимфатические.. Сердце млекопитающих четырехкамерное. Кровь движется по двум кругам кровообращения.

функции всех элементов сердечно-сосудистой системы: 1) трофическая – снабжение тканей питательными веществами; 2) дыхательную – снабжение тканей кислородом; 3) экскреторную – удаление продуктов обмена из тканей; 4)регуляторную –

перенос гормонов, выработка биологически активных веществ, регуляция кровоснабжения, участие в воспалительных реакциях.

При движении крови по сосудам различают линейную и объемную скорость кровотока. Линейная скорость кровотока определяется суммарным сечением сосудистой системы. Она максимальна в аорте — до 50 см/сек и минимальна в капиллярах — около нуля. В венозном отделе сосудистой системы линейная скорость вновь возрастает. Линейная скорость в полых венах в два раза меньше, чем в аорте и равна примерно 25 см/мин. Объемная скорость кровотока — это количество крови, протекающее через общее сечение сосудистой системы в единицу времени. Она одинакова во всех отделах сосудистой системы крови.

Время полного кругооборота крови — это то время, за которое кровь проходит через большой и малый круги кровообращения. При 70-80 сокращениях сердца в минуту полный кругооборот крови происходит приблизительно за 20-23 сек.

Движение крови в организме: аорта – 500-600 мм/c, артерии – 150-200 мм/c, артериолы – 5 мм/c, капилляры – 0,5 мм/c, средние вены – 60-140 мм/c, полые вены - 200 мм/c. Гипертония – повышенное АД. Гипотония – пониженное АД.

Систолический объем крови. Объем крови, нагнетаемый каждым желудочком в магистральный сосуд (аорту или легочную артерию) при одном сокращении сердца, обозначают как систолический, или ударный, объем крови.

Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка.

Vу – ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:

A1 = FI = pSI = pVy.

На сообщение кинетической энергии этому объему крови затрачена работа:

где р – плотность крови;υ – скорость крови в аорте. Таким образом, работа левого

желудочка сердца при сокращении равна:

Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной скоростью кровотока.

6. Уравнение Пуазейля. Понятие о гидравлическом сопротивлении кровеносных сосудов и о способах воздействия на него.

Уравнение Пуазёйля — закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения. Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:

Где Q — объемный секундный расход жидкости; R — радиус трубопровода; p1-p2— перепад давлений на трубке; n—коэффициент трения; L— длина трубки.