11.Понятие о потенциале покоя биологической мембраны. Равновесный потенциал Нернста. Стационарный потенциал гхк.

Потенциа́л поко́я (ПП) - мембранныйпотенциалвозбудимойклеткив невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрическихпотенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от -55 до -100 мВ^[1]. У нейронов и нервных волокон обычно составляет -70 мВ. Измеряется изнутри клетки.

Под электродиффузией понимают перенос не нейтральных молекул, а заряженных частиц (ионов) вследствие как разности концентрации, так и разности потенциалов. Именно за счёт элктродиффузии через мембраны переносятся

ионы калия, натрия, хлора, что приводитформированию на мембране потенциала покоя и потенциала действия. Потенциал покоя нервных клеток имеет величину примерно –70мВ. Знак минус для потенциала покоя указывает, что внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, наружная положительно. На Рис2-3 изображено, как можно зарегистрировать этот потенциал - для этого следует использовать специальный микроэлектрод, которым следует проникнуть внутрь клетки.

Объяснить явление электродиффузии можно на примере формирования указанного мембранного потенциала покоя. Исходным пунктом здесь следует считать то, что мембрана хорошо проницаема в состоянии покоя только для ионов калия. В результате концентрация калия внутри клетки значительно больше, чем снаружи: С_{К вн}. > С_Кнаруж. Так как имеет место разность концентраций начинается процесс диффузии калия изнутри наружу (возникает поток Ф_Δc – обусловленный разностью концентрации). Это приводит к тому, что наружная часть мембраны заряжается положительно, внутренняя - отрицательно. При этом следует отметить, что в целом как внутриклеточная, так и внеклеточная среды – электронейтральны, а в процессе указанной диффузии ионов калия изнутри наружу принимает участие около тысячной доли процента всех ионов калия, находящихся внутри клетки. Указанный поток Ф_Δc - это всего лишь «одна сторона медали» в явлении электродиффузии. Так как в процессе указанного потока (Ф_Δc) возникает электрическое поле, направленное внутрь клетки, то следует говорить и о другом потоке - Ф_Δφ - потоке этих же ионов калия обусловленном разностью потенциалов. Этот поток направлен внутрь клетки. В результате наличие этих двух встречных потоков устанавливается их динамическое равновесие (Ф_Δc = Ф_Δλ). Каждому значению разности концентрации должно соответствовать поэтому, определенное значение разности потенциалов на мембране. Такое состояние мембран называется равновесным состоянием для ионов калия. Количественно процесс электордиффузии описывается уравнением Нернста – Планка:

Ф= - D* -C*Z*F*U* Первое слагаемое правой части отражает поток, обусловленный разностью концентраций (Ф_Δc), второе слагаемое соответствует потоку, обусловленному разностью потенциалов (Ф_Δ ). Вывод этого уравнения приводится в приложении к этой лекции.

В приведенном уравнении величина Z представляет собой валентность ионов, С – молярную концентрацию, U – подвижность ионов. Подвижность ионов равна отношению скорости упорядоченного движения заряженных ионов к силе электрического поля, вызывающей это движение: U=V_уп./F. Измеряется подвижность в (м / (с*Н), для более легких ионов подвижность больше. В уравнение Нернста – Планка входит также число Фарадея (F), равное 96500 Кл/Моль, которое указывает какой заряд (q), который необходимо пропустить через среду одновалентных ионов (Z=1), чтобы через нее был перенесен 1 моль вещества (ν=1 моль).

Равновесные значения потенциалов ионов Na⁺,K⁺,Cl^- для клеточных мембран. Влияние ионов Na и Cl на мембранный потенциал покоя.

На прошлой лекции мы уже получили значения равновесного потенциала на клеточной мембране для иона калия. При концентрациях ионов калия Свн = 360мМ/Л, Ссн = 10 мМ/Л равновесное значение разности потенциалов на мембране равно -90 мВ.

Такое значение концентрации было обязано тому, что мембрана является хорошо проницаемой именно для ионов калия. Для ионов натрия и хлора в состоянии покоя мембрана имеет меньшие проницаемости. Поэтому концентрации ионов Na⁺ и Cl^- во внеклеточной среде должна быть больше чем в внутриклеточной. Эти данные о концентрациях разных ионов внутри и снаружи клетки приведены в таблице 1 в единицах мМоль/Литр, значения равновесных потенциалов мембраны для этих же ионов даны в милиВольтах.

     Поясним значения равновесных потенциалов мембраны для ионов натрия и хлора. Значение +50мВ для ионов натрия рассчитано по уравнению Нернста. Если бы в окружении мембраны были только ионы натрия, то снаружи клетка имела бы положительный потенциал, а внутри отрицательный. Аналогично, если бы в окружении мембраны были бы только ионы хлора и концентрация хлора внутри и снаружи клетки были бы такими, как указано в таблице, то на мембране был бы потенциал –30мВ (внутри – минус). Несмотря на эти теоретические значения равновесных значений потенциалов мембраны для каждого типа иона опытное значение мембранного потенциала покоя составляет –60мВ. Приведённые данные свидетельствуют о том, что объяснить существующие значение МПП электродиффузией только одного типа ионов – в частности ионами калия – нельзя. Следует учесть ещё и электродиффузию ионов натрия, и ионов хлора. Если учесть кроме электродиффузии ионов калия, электродиффузию ионов натрия, то вывод очевиден, поток ионов натрия внутрь клетки должен снижать величину калиевого равновесного потенциала. При этом степень снижения определяется величиной проницаемости ионов натрия по сравнению с ионами калия. В опыте установлено, что проницаемость ионов натрия по сравнению с проницаемостью ионов калия составляет P_Na/P_K= 0.04. Если бы это отношение равнялось нулю, то влияние ионов натрия на МПП не было бы, и, наоборот, если бы проницаемость для калия и натрия были бы одинаковыми, то потоки ионов натрия приводили бы к компенсации потоков ионов калия и МПП стал бы равным нулю. Учёт электродиффузии ионов хлора также должен привести к снижению потенциала мембраны от равновесного значения для ионов калия до некоторой меньшей величины. Степень снижения также зависит от соотношения проницаемости мембран для ионов хлора и калия. Установлено, что это соотношение составляет Р_Cl / P _K = 0,45. Чем ближе эта величина к единице, тем значительнее ионы хлора будут изменять равновесное значение потенциала для ионов калия.

  Уравнение Гольдмана– Ходжкина-Каца

Проведенные качественные оценки влияния на МПП различных ионов количественно описывается уравнением Гольдмана – Ходжкина-Каца. Глядя на таблицу для равновесных потенциалов (Таблица1) следует сделать вывод что в реальной ситуации на один из потоков Фк, Ф_Na, Ф_Cl не равен нулю, так как опытное значение МПП не равно ни одному из равновесных потенциалов. Поэтому в реальной ситуации в состоянии покоя имеет место перенос ионов каждого вида и можно записать формулу для потока ионов каждого типа:

Фк = Y* Pк * (С^квн -С^ксн * е^-j) / (е^-j - 1),

Ф_Na = Y* P_Na * (С^Naвн -С^Naсн * е^-j) / (е^-j - 1),

Ф_Cl = Y* P_Cl * (С^Clвн -С^Clсн * е^-j) / (е^-j - 1).

В частности для простоты можно учесть электродиффузию только ионов Na и К.

Естественно предположить, что суммарный поток электрического заряда через мембрану должен быть равен нулю. Поэтому встречные потоки ионов К и Na должны компенсировать друг друга. Такое состояние мембраны, когда есть отдельные потоки ионов, а суммарный поток равен нулю, называется стационарным состоянием мембраны. Приравняв указанные два потока друг другу:

Y* Pк * (С^квн -С^ксн * е^-j) / (е^-j - 1) = Y* P_Na * (С^Naвн -С^Naсн * е^-j) / (е^-j - 1)

можно решить это уравнение сначала для величины безразмерного потенциала, а затем самой разности потенциалов:

φ = - * Ln (), где α = P_Na/P_K= 0.04 - доля проницаемости мембраны для ионов натрия по сравнению с проницаемостью для ионов калия. Это уравнение и называется уравнением Гольдмана – Ходжкина-Каца для стационарного потенциала на клеточной мембране. Дополнительный учет потоков ионов хлора позволяет получить более общую формулу для этого уравнения:  

φ = - * Ln (), где β = Р_Cl / P _K = 0,45 - доля проницаемости мембраны для ионов хлора по сравнению с проницаемостью для ионов калия.

Уравнение Гольдмана – Ходжкина - Каца сводится к уравнению Нернста, если пренебречь проницаемостями мембраны для ионов Na и Сl, по сравнению с проницаемостью для ионов К. Расчет стацианарного значения мембранного потенциала по уравнению Гольдмана – Ходжкина - Каца дает следующие значения:

с учетом ионов К и Na - значение не –92 мВ, а –67 мВ,

с учетом ионов К и Cl - не –92 мВ, а –45 мВ,

с учетом ионов К и Na и Cl - не –92 м, а –41 мВ.

Если взять в качестве примера одинаковые проницаемости мембраны для ионов натрия и калия ( Р_Na =Р_К) то потенциал по уравнению Гольдмана – Ходжкина-Каца дает ноль, что уже было объяснено выше.

19.Частотная зависимость порогов ощутимого и неотпускающего токов. Характеристики пассивных электрических свойств тканей тела человека. Первичное действие постоянного тока и переменными электрическими токами на организм (недоделанно)

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей.

Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать прохождение тока через организм. Ощутимые токи используют для проверки годности электрических батареек для карманных фонариков напряжением 1,5-4,5 В. Если при приложении клемм батарейки к языку возникает характерное пощипывание, то это означает, что возникает ток, превышающий порог ощутимого тока. Электрический ток вызывает раздражение нервных клеток. Как правило, это означает, что батарейка пригодна к использованию. Порогом ощутимого тока называют наименьшую силу тока, раздражающее действие которого ощущает человек. Эта величина зависит от места и площади контакта тела с подведенным напряжением, частоты тока. Для участка предплечье – кисть у мужчин среднее значение порога ощутимого тока при частоте 50 Гц составляет около 1 мА.

При увеличении силы тока можно вызвать такое сгибание сустава, при котором человек не сможет самостоятельно разжать руку и освободиться от проводника – источника напряжения. Минимальную силу этого тока называют порогом неотпускающего тока. Токи меньшей силы являются отпускающими

Чем выше частота тока, тем труднее вызвать раздражение клеток и вызвать фибрилляцию. Электроопасными можно считать частоты ниже 10⁵ Гц (рис. 2). При более высоких частотах (за пределами α-дисперсии) токи не вызывают раздражения и являются поэтому не опасными. В области β- и γ-дисперсии основным является тепловое воздействие. На рис. 2 видно, что все применяемые в медицине терапевтические и электрохирургические методы основаны на применении электробезопасных высокочастотных токов, вызывающих тепловые эффекты.

К пассивным электрическим свойствам биологических объектов от- носятся: сопротивление, электропроводимость, емкость, диэлектрическая проницаемость. В норме и патологии эти параметры меняются и поэтому могут быть использованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического вещества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напряжение небольшой величины.

При приложении постоянной разности потенциалов к тканям орга- низма в них наблюдается два явления:

2. Различные виды поляризации в диэлектрических тканях.

1. Постоянный электрический ток в проводящих тканях.

К пассивным эл. св-вам биологических объектов относятся: сопротивление, электропроводимость, ёмкость, диэлектрическая проницаемость. При приложении постоянной разности потенциалов в тканях наблюдается пляризация. Количественно это явление характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Первичное действие постоянного электрического тока на ткани организма связано с движением имеющихся в них ионов и др. заряженных частиц. Подвижность этих частиц различна, поэтому в процессе передвижения они разделяются. Кроме того, частицы могут задерживаться около полупроницаемых перегородок. При этом концентрация ионов, содержащихся в различных элементах тканей, изменяется. Изменение соотношения концентраций ионов, находящихся по обе стороны клеточной оболочки, вызывает изменение функционального состояния клетки. Более сильное действие оказывает быстрое нарастание или убывание тока, при котором происходит незначительное, но резкое смещение электронов.

Вопрос 20. УВЧ-терапия успешно применяется при гнойных хирургических инфекциях, гнойных воспалениях глаз, дыхательных путей, почек, матки и ее придатков. УВЧ-терапия является одним из необходимых условий успешного посттравматического восстановления опорно-двигательного аппарата из-за своего нейротрофического действия. Применяется также при заболеваниях нервной системы и периферических нарушениях кровообращения, а также трофических язвах.

Противопоказаниями к применению УВЧ являются новообразования (хотя иногда УВЧ-терапия может использоваться для термического поражения опухолей), туберкулез в активной стадии, ИБС, ГБ (начиная со 2й стадии), сахарный диабет в стадии декомпенсации, 2-3-я степени СН, склонность к кровотечениям, аневризма аорты. Нельзя назначать УВЧ-терапию людям, по роду своей деятельности связанными с генераторами ВЧ, УВЧ и СВЧ. Лучше воздержаться от применения УВЧ-терапии, если в теле пациента имеются металлические осколки или имплантированные кардиостимуляторы, так как это может привести к сбою в работе и местным ожогам (хотя металлические коронки и металлические фиксаторы костных обломков противопоказаниями к проведению УВЧ-терапии не являются).

Следует учесть также, что УВЧ-терапия плохо сочетается с остальными видами физиотерапевтических процедур.

В физиотерапевтической практике используют непрерывное и импульсное УВЧ-поля, причем мощность поля в импульсе в сто и более раз превышает стационарную, и это позволяет осуществить мощное воздействие без повреждения тканей.

Дозирование производится в зависимости от необходимой глубины воздействия, выходной мощности, ощущения пациентов и времени процедуры. У взрослых допустимыми мощностями считаются 15-100 Вт, у детей - 15-40 Вт (в зависимости от возраста и зоны). Продолжительность воздействия для взрослых 10-15 мин, для детей - 5-12 мин.

Существует еще методика УВЧ-индуктотермии, в которой используется преимущественно магитная составляющая УВЧ-поля, но механизм воздействия этого вида физиотерапии досконально не изучен. УВЧ-индуктотермия предположительно вызывает вихревые токи в тканях с высокой теплопроводностью, что сопровождается значительным теплообразованием. УВЧ-индуктотермию применяют преимущественно для лечения заболеваний дыхательных путей, в том числе пневмонии у новорожденных и детей грудного возраста.

Длительная работа с УВЧ-генераторами не представляет угрозы, однако возможны некоторые отрицательные влияния на здоровье, а именно: ВСД, НЦД по гипотоническому типу, легкие нарушения высших психических функций, возможно развитие катаракты (при наличии склонности). Все эти последствия проходят после отпуска.

В качестве профилактики физиотерапевтический кабинет оборудуется кабинами, завешенными экранирующей тканью. На производстве источники УВЧ экранируются металлическими камерами.

Воздействие на живые ткани электромагнитным полем СВЧ-частот.

Электромагнитные излучения — электромагнитные поля, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью (примерно 300 000 км в 1 сек.). Электромагнитные излучения исходят от космических тел и Земли, возникают при электрических разрядах в атмо­сфере, при взаимодействии магнит­ного поля Земли с ионизированными слоями атмосферы и т. п. Все живое на Земле эволюционно развивалось и приспосабливалось к условиям воз­действия естественного электромаг­нитного фона. Бурное развитие ра­диоэлектроники, широкое внедрение ее почти во все отрасли народного хозяйства и военного дела привели к тому, что в ряде случаев интенсив­ность воздействия электромагнитных полей на живой организм стала пре­вышать естественный фон. Кроме того, появились искусственные часто­ты радиоволн, к которым живой орга­низм не был приспособлен.Один из них это микроволны (СВЧ)

21.Тормозное рентгеновское излучение. Строение,принцип работы и характеристики рентгеновской трубки.

Тормозное рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) с непрерывным энергетическим спектром - коротковолновое электромагнитное (фотонное) излучение. Диапазон частот, 3⋅10 в 16÷3⋅10 в 19 Гц, диапазон длин волн 10 в -8 ÷ 10 в -12, м. Образуется при уменьшении кинетической энергии (торможении, рассеянии) быстрых заряженных частиц, например, при торможении в кулоновском поле ускоренных электронов. Существенно для легких частиц электронов и позитронов. Спектр тормозного излучения непрерывен, максимальная энергия равна начальной энергии частицы. Обычный рентгеновский спектр состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии Кia и Кib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.

Рентгеновская трубка- электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения. Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накал катода и анодом.

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, Uh —напряжение накала катода, Ua — ускоряющее напряжение, Win — впуск водяного охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах вэлектронных оболочках атомов (характеристическое излучение). Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z —атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки).

РАЗДЕЛ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕНТГЕНОГРАФИИ, РЕНТГЕНОСКОПИИ И РЕНТГЕНОВСКОЙ ТОМОГРАФИИ. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОН. ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНИЗМ 21.Тормозное рентгеновское излучение. Строение, принцип работы и характеристики рентгеновской трубки.

      Для объяснения свойств теплового излучения пришлось ввести представление об испускании электромагнитного излучения порциями (квантами). Квантовая природа излучения подтверждается также существованием коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра.

      Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке твердых мишеней быстрыми электронами (рис. 2.6) Здесь анод выполнен из W, Mo, Cu, Pt – тяжелых тугоплавких или с высоким коэффициентом теплопроводности металлов.

Рис. 2.6

      Только 1–3 % энергии электронов идет на излучение, остальная часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают водой.

Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских лучей).

      Начальная скорость электронапри попадании на анод определяется по формуле:

где U – ускоряющее напряжение.

      >Заметное излучение наблюдается лишь при резком торможении быстрых электронов, начиная с U ~ 50 кВ, при этом (с – скорость света). В индукционных ускорителях электронов – бетатронах, электроны приобретают энергию до 50 МэВ,= 0,99995с. Направив такие электроны на твердую мишень, получим рентгеновское излучение с малой длиной волны. Это излучение обладает большой проникающей способностью.

      Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов, что в основном подтверждается на опыте (рис. 2.7).

Рис. 2.7

      Однако есть принципиальное отличие от классической теории: нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях– это и естькоротковолновая граница рентгеновского спектра.

      Экспериментально установлено, что .

      Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта не может превысить энергию электрона eU, т.е., отсюдаили .

      В данном эксперименте можно определить постоянную Планка h. Из всех методов определения постоянной Планка метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным.

25. Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место интерференция, в результате которой ограниченный пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение т.е имеет место дифракция. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Методы геом. О. позволяют изучать условия формирования оптпч. изображений объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить мн. явления, связанные с прохождением оптич. излучения в разл. средах, в т. ч. неоднородных (напр., искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства её показателя преломления, образование миражей, радуг). Наиб. значение геом. О. (с частичным привлечением волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астр. инструментов. Благодаря развитию вычислит. математики и применению совр. вычислит. техники такие расчёты достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее назв. вычислительной О.  По существу отвлекается от физ. природы света и фотометрия ,посвящённая гл. обр. измерению световых величии. Фотометрия представляет собой методич. основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отд. цветовых составляющих. Изучением самих этих закономерностей занимается физиологич. О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

Волновая природа света подтверждается такими явлениями, как

интерференция, дифракция и поляризация. Теория интерференции

была разработана Френелем.

Интерференция света - это явление перераспределения энергии

световых волн в пространстве, при наложении двух или более

волновых процессов, имеющих одинаковую частоту и постоянную

во времени разность фаз.

Источники света, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени

разность фаз, называются когерентными.

Временной аспект когерентности имеет исключительно важное значение при рассмотрении явлений взаимодействия электромагнитных волн ввиду того, что в строгом смысле на практике монохроматических волн и волн с абсолютно одинаковыми частотами не существует из-за статистического характера излучения электромагнитных волн. Монохроматические волны представляют собой бесконечный по продолжительности и локализации пространственно-временной процесс, что очевидно невозможно с точки зрения предположений о конечности энергии источников электромагнитных волн, а ввиду конечного времени излучения, его спектр также имеет ненулевую ширину.

Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени . Это время называют временем когерентности.

Можно сравнить фазы одного и того же колебания в разные моменты времени и , разделённые интервалом . Если негармоничность колебания проявляется в беспорядочном, случайном изменении во времени его фазы, то при достаточно большом изменение фазы колебания может отклониться от гармонического закона. Это означает, что через время когерентности гармоническое колебание «забывает» свою первоначальную фазу и становится некогерентным «само себе».

Для описания подобных процессов (а также процессов излучения, конечной длительности) вводят понятие цуг волн — «отрезок» монохроматической волны, конечной длины. Длительность цуга и будет временем когерентности, а длина  — длиной когерентности (— скорость распространения волны). По истечении одного гармонического цуга он как бы заменяется другим с той же частотой, но др. фазой.

Таким образом, монохроматические волны в физике являются весьма полезной математической абстракцией, позволяющей досконально изучить основные свойства электромагнитных волн. На практике монохроматические волны представляются в виде цугов конечной длительности по времени, представляющих собой гармонические во времени функции, ограниченные во времени и пространстве о чём говорилось выше.

Понятие пространственной когерентности введено для объяснения явления интерференции (на экране) от двух разных источников (от двух точек удлиненного источника, от двух точек круглого источника и т. п.).

Так при определённом расстоянии от источников разность оптического хода будет такой, что фазы двух волн будут отличаться на π. В результате этого приходящие волны от различных частей источника в центр экрана будут уменьшать значение мощности по сравнению с максимальным, которое имело бы место, если бы все волны имели одинаковую фазу.

Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Фаза колебаний в какой-нибудь определённой точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности . За это время волна распространится на расстояние . Таким образом колебания в точках, удалённых друг от друга на расстояние , вдоль направления распространения волны, оказываются некогерентными. Расстояние , вдоль которого распространяется плоская волна, и на котором случайные изменения фазы колебаний достигают величины, сравнимой с , называют длиной когерентности, или длиной цуга.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Ла́зер (, опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую,электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях наукии техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения^[8]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентенфотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу^[9][10].

Генерируемое лазером излучение является монохроматически

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;

• системы накачки (источник энергии);

• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

26.Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место интерференция, в результате которой ограниченный пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение т.е имеет место дифракция. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. Коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

В геометрической оптике явление объясняется в рамках закона Снелла. Учитывая, что угол преломления не может превышать 90°, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего коэффициента преломления к большему коэффициенту, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду.

В соответствии с волновой теорией явления, электромагнитная волна всё же проникает во вторую среду — там распространяется так называемая «неоднородная волна», котораяэкспоненциально затухает и энергию с собой не уносит. Характерная глубина проникновения неоднородной волны во вторую среду порядка длины волны.

К волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, усилители, мультиплексоры, демультиплексоры и ряд других. К волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, разветвители и др. Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонентов, соединённых в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без неё

П

ПРЕДЕЛЬНЫЙ , или КРИТИЧЕСКИЙ, УГОЛ ПРЕЛОМЛЕНИЯ - наибольший угол падения луча, при котором еще имеет место преломление при переходе луча в менее плотную среду.

При углах падения больше предельного происходит полное внутреннее отражение. Величина предельного угла преломления зависит от относительного показателя преломления: sin α=1/n.

Для стекла с показателем преломления 1,5 предельный угол равен 41˚50', для воды 49˚35'

Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 90⁰), называется предельным углом полного отражения

28.Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ. Показатель преломления n представляет собой отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел n обычно определяют относительно воздуха, а для газов - относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны λ света и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму / 2 освещают со стороны грани be ( рис. 172) через специальное отверстие в кожухе прибора. Грань Ьс делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела ас под всевозможными углами. При r rj наступает полное внутреннее отражение, приг г, свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени. [6]

29. Микроскопия (МКС) (греч. μΙκροσ — мелкий, маленький и σκοποσ — вижу) — изучение объектов с использованием микроскопа. Подразделяется на несколько видов: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, многофотонная микроскопия, рентгеновская микроскопия илирентгеновская лазерная микроскопия, отличающиеся использованием электромагнитных лучей с возможностью рассмотрения и полученияизображений микроэлементов вещества в зависимости от разрешающей способности приборов (микроскопов)

30.Дифракционная теория разрешающей способности

оптических .приборов бала разработана Аббе Нели в качестве объекта использовать

дифракционную решетку, а ес изображение получать с помощью линзы, то в фекальной плоскости ►той линзы будет образовываться дифракционная картина в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности Эта картина является первичны изображением На некотором расстоянии от первичного будет находиться вторичное

действительное. которое и является собственно

изображением решетки Аббе установил . что для соответствия вторичного изображения

рассматриваемому предмету

необходимо чтобы в его формировании принимали участие лучи, идущие от центрального и одного из первых главных максимумов Все максимумы первичного —' изображения возникают в результате интерференции когерентных

лучей. н поэтому могут рассматриваться как

самостоятельные точечные и когерентные источники

Разрешающая способность

микроскопа зависит от длины световой волны и значения аииертурного угла Продел

разрешения - наименьшее

расстояние между 2 точками предмета. когда эти точки различимы, т, с. воспринимаются как 2 точки в микроскопе Разрешающей способностью

называют способность микроскопа давать раздельные изображения мелких деталей рассматриваемого предмета Эта величина образна пропорциональна пределу

разрешения. Полезное увеличение \‘величение при котором глаз различает все элементы структуры объекта Бесполезное увеличение- глаз не способен различить все элементы структуры объека

.

38. ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ (неполяризованный свет) - совокупность некогерентных световых волн со всеми возможными направлениями напряжённости эл--магн. поля, быстро и беспорядочно сменяющими друг друга. При этом все направления колебаний, перпендикулярные к световым лучам, равновероятны, т. е. Е. с. обладает осевой симметрией относительно направления распространения. Свет, испускаемый отд. центром излучения (атомом, молекулой, узлом кристаллич. решётки и т. п.), обычно поляризован линейно и сохраняет состояниеполяризации в течение 10^-8 с и меньше (это следует из экспериментов по наблюдению интерференции световых пучков при большой разности хода, когда, следовательно, могут интерферировать волны, испущенные в начале и в конце указанного временного интервала). В следующем акте излучения свет может обладать др. направлением поляризации. Обычно одновременно наблюдается излучение огромного числа центров, различно ориентированных и меняющих ориентацию но законам статистики. Это излучение и является Е. с. Мн. источники света (раскалённые тела, светящиеся газы) испускают свет, близкий к Е. с., но всё же в небольшой степени поляризованный. Это объясняется прохождением света внутри источника от глубинных слоев наружу и прохождением света через среду от источника к наблюдателю (поляризация при отражении, при рассеянии света средой, дихроизм среды и т. п.). Близок к Е. с. прямой солнечный свет.

ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ, световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. ОбычныйСВЕТ распространяется во всех направлениях, перпендикулярных к направлению его движения. В зависимости от сетки колебаний ученые различают три вида поляризации: линейную (плоскостную), круговую и эллиптическую. В линейно поляризованном свете электрические колебания ограничиваются только одним направлением, и магнитные колебания направлены под прямыми углами. Линейно поляризованный свет возникает при ОТРАЖЕНИИ, например, от листа стекла или поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина или кальцита. Поляризационный материал используется в поляризующих солнцезащитных очках для того, чтобы ослабить яркий свет путем отведения света, поляризующегося при отражении

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен накристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным

Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где  — интенсивность падающего на поляризатор света,  — интенсивность света, выходящего из поляризатора,  — коэффициент прозрачности поляризатора.

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называется углом Брюстера

Призма Николя (сокр. николь) — поляризационное устройство, в основе принципа действия которого лежат эффекты двойного лучепреломления иполного внутреннего отражения.