51 Потенциал покоя в клетках

Внутриклеточная концентрация

Внеклеточная концентрация

Na+

12

145

K+

155

4

Ca2+

10-8 – 10-7

2

Cl-

4

120 – 130

HCO3-

8

27

52 Потенциал действия и его распространение вдоль возбудимого волокна

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения. Если в каком-нибудь участке возбудимой мембраны сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована, возбуждение распространяется на другие участки мембраны. Рассмотрим распространение возбуждения на примере передачи нервного импульса по аксону (рис. 7). И в аксоплазме, и в окружающем растворе возникают локальные токи: между участками поверхности мембраны с большим потенциалом (положительно заряженными) и участками с меньшим потенциалом (отрицательно заряженными). Локальные токи образуются и внутри аксона, и на наружной его поверхности. Локальные электрические токи приводят к повышению потенциала внутренней поверхности невозбужденного участка мембраныи φВН к понижению φНАР наружного потенциала невозбужденного участка мембраны, оказавшегося по соседству с возбужденной зоной. Таким образом, отрицательный потенциал покоя  уменьшается по абсолютной величине, то есть повышается. В областях, близких к возбужденному участку, φм повышается выше порогового значения. Под действием изменения мембранного потенциала открываются натриевые каналы и дальнейшее повышение происходит уже за счет потока ионов натрия через мембрану. Происходит деполяризация мембраны, развивается потенциал действия. Затем возбуждение передается дальше на покоящиеся участки мембраны. Возбуждение может распространяться только в область мембраны, находящуюся в состоянии покоя, то есть в одну сторону от возбужденного участка аксона. В другую сторону нервный импульс не может распространяться, так как области, через которые прошло возбуждение, некоторое время остаются невозбудимыми - рефрактерными. Повышение мембранного потенциала - величина деполяризующего потенциала V, перед от

возбужденных участков вдоль мембраны, зависит от расстояния х (как это следует из электродинамики) по формуле:  Vo - повышение мембранного потенциала в зоне возбуждения, х - расстояние от возбужденного участка; λ - константа длины нервного волокна, равная расстоянию, на котором деполяризующий потенциал уменьшается в е раз (е-основание натурального логарифма ≈ 2,71) Константа длины нервного волокна где rm - удельное электрическое сопротивление оболочки волокна, δ - толщина оболочки, а - радиус нервного волокна, rI - удельное электрическое сопротивление цитоплазмы. Чем больше константа длины мембраны, тем больше скорость распространения нервного импульса. Величина λ тем больше, чем больше радиус аксона и удельное сопротивление мембраны и чем меньше удельное сопротивление цитоплазмы. Большую скорость распространения нервного импульса по аксону кальмара обеспечивает их гигантский по сравнению с аксонами позвоночных диаметр. У позвоночных большая скорость передачи возбуждения в нервных волокнах достигает другими способами. Аксоны позвоночных снабжены миелиновой оболочкой, которая увеличивает сопротивление мембраны и ее толщину. Возбуждение по миелинизированному волокну распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата Ранвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого. Нервные импульсы проводятся по аксонам в какой-то степени аналогично тому, как передаются электрические сигналы по кабельно-релейной линии. Электрический импульс передается без затухания за счет его усиления на промежуточных релейных станциях, роль которых в аксонах выполняют участки возбудимой мембраны, в которых генерируются потенциалы действия.

53 Электрическая активность органов

функционирование живых клеток сопровождается возникновением трансмембранных потенциалов - биопотенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической активности. Она определяется как электрической активностью отдельных клеток, так и взаимодействием между ними, устройством самого органа, неоднородностью структуры этого органа, процессами регуляции в нем и целым рядом других причин.

Электрическая активность в большой степени отражает функциональное состояние клеток, тканей и органов. Регистрация и анализ электрической активности позволяют проводить биофизические и медико-биологические исследования с целью изучения работы органов и проведения клинической диагностики.

54 Физические основы электрокардиографии

Каждая клетка сердечной мышцы создаёт электрическое поле, которое имеет характеристики, подобные в общих чертах характеристикам электрического поля других типов мышечных клеток. Но потенциал действия (ПД) сердечных клеток отличается от ПД клеток поперечнополосатых мышц своей формой и длительностью. Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца. Эти изменения достаточны, чтобы создать изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела и чтобы обнаружить указанные изменения на большом расстоянии от их источника.

Графическая запись электрического потенциала, созданного возбуждением клеток сердца, называетсяэлектрокардиограммой (ЭКГ). Таким образом, ЭКГ характеризует возбуждение сердца, но не его сокращения. Впервые электрокардиограмма была записана голландским физиологом Эйнтховеном посредством сравнительно простого инструмента струнного гальванометра. В настоящее время для записи ЭКГ используют специальные электронные приборы, называемые электрокардиографами. Амплитуда электрического потенциала записанного с поверхности тела может быть менее 1мВ. Следовательно, перед записью потенциал должен быть усилен с помощью устройства, называемого усилителем. Электрокардиограф включает также высокочастотное сито, не пропускающее медленные изменения электрического потенциала, и калибратор, который генерирует электрические импульсы 1мВ, что необходимо для расчета амплитуды зубцов электрокардиограммы.

Форма нормальной электрокардиограммы

Видны несколько отклонений от нулевой линии, которые называются зубцами ЭКГ и обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S, T. Зубцы могут быть положительными (направленными вверх) или отрицательными. Положительное отклонение комплекса QRS называют R-зубцом. Отрицательные отклонения, предшествующее R-зубцу и следующее за ним, названы соответственно Q и S -зубцами. Отклонения P и T в норме положительны, но могут быть отрицательными при патологических состояниях. Расстояние между двумя отклонениями называется сегментом. Например, сегмент PQ-является расстоянием между концом P-зубца и началом Q-зубца.

Нормальная электрокардиограмма

Причинами зубцов и сегментов ЭКГ является деполяризация и реполяризация сердечных клеток. Зубец Р отражает деполяризацию предсердий сердца. Их реполяризация совпадает с комплексом QRS и не видна на ЭКГ. Комплекс QRS - T-зубец представляет постепенное распространение деполяризации по желудочкам сердца и их реполяризацию. Сегмент S - T соответствует возбуждению левых и правых желудочков.

Сердце – электрический диполь

55 Теория отведений Эйнтховена, три стандартных отведения

Форма и размер зубцов электрокардиограммы зависит от положения электродов на поверхности тела. Существует биполярное и униполярное отведения. Эйнтховен предложил использовать стандартные биполярные отведения: отведение 1 - между правой и левой руками; отведение II - между правой рукой и левой ногой; отведение III - между левой рукой и левой ногой. При записи ЭКГ в стандартных отведениях конечности рассматриваются как проводники электрического тока. Следовательно, можно сказать, что потенциалы записываются в точках прикрепления конечностей. Эти точки формируют вершины равностороннего треугольника (треугольникЭйнтховена), стороны которого являются осями соответствующих отведений.

Для того чтобы получить униполярные отведения, 1 активный электрод устанавливается в некоторой точке поверхности тела. Есть несколько систем униполярных отведений, которые изучаются в деталях в ходе физиологии.

Дипольная теория электрокардиограммы

Чтобы понять происхождение электрокардиограммы нужно принять во внимание, что электрическое поле сердца является результатом наложения электрических полей множества сердечных клеток. Мембранный потенциал покоящейся клетки не вызывает появления потенциала в любой точке тела. Клетка, несущая импульс, может быть поделена на две части: покоящуюся и активную. Покоящаяся часть имеет неизменный мембранный потенциал. Активная часть имеет потенциал, равный величине потенциала действия. Переход между двумя частями происходит в какой-либо точке.

В любой момент возбуждения, дипольные моменты отдельных клеток суммируются, формируя суммарный дипольный момент всего сердца. Суммарный дипольный момент сердца является результатом наложения дипольных моментов клеток. Вот почему сердце можно рассматривать как дипольный электрический генератор. Направление суммарного дипольного момента сердца часто называют электрической осью сердца. Этот дипольный момент определяет величину разности электрических потенциалов, записанную на поверхности тела. Электрический потенциал, измеренный в любой точке, отдалённой от источника, зависит главным образом от величины суммарного дипольного момента сердца и угла между его

направлением и осью отведения ЭКГ Одной из значимых проблем в электрокардиографии является определение направления электрической оси сердца. Его определяют, измеряя амплитуду (напряжение) отклонений ЭКГ в стандартных отведениях Эйнтховена. Стандартные отведения дают возможность изучать проекции электрической оси сердца на фронтальную плоскость. Чтобы определить направление электрической оси сердца необходимо ввести некоторые упрощения: - пренебречь электрическим сопротивлением конечностей; - рассматривать треугольник Эйнтховена как равносторонний; - считать, что сердце расположено в центре равностороннего треугольника. Амплитуда (напряжение) каждого отклонения ЭКГ равна суммарному дипольному моменту сердца, умноженному на косинус угла между электрической осью сердца и осью соответствующего отведения (3). Эти амплитуды можно также определить как проекции суммарного дипольного момента сердца на соответствующие оси отведений, которые являются сторонами треугольника Эйнтховена.

Направление электрической оси сердца не является постоянным, но изменяется в каждый момент времени. Его удобно определять для комплекса QRS. Для этого необходимо измерить амплитуду отклонений Q, R и S в I и III стандартных отведениях и вычислить алгебраическую сумму величин положительного и отрицательного отклонений. Полученные разности отложить в произвольном масштабе на соответствующих сторонах треугольника Эйтховена, начиная от центра (в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от того, положительна или отрицательна разность). Из полученных таким образом точек на осях отведений опустить перпендикуляры. Точка их пересечения укажет конец вектора электрической оси сердца (начало - в центре треугольника). Чтобы определить направление электрической оси, необходимо измерить угол между полученным вектором и горизонтальной линией. В норме он составляет от 0 до +90 градусов. Существуют такие варианты направления электрической оси сердца: нормограмма (от 00 до +900): горизонтальное положение (от 00  до 400), нормальное (от 400 до 700)ти вертикальное (от 700  до 900); правограмма (от 900 до 1800), левограмма (от 00до - 900).

56 Моделирование биофизических процессов

При изучении сложных систем исследуемый объект может быть заменен другим, более простым, но сохраняющим основные, наиболее существенные для данного исследования свойства. Такой более простой объект исследования называется моделью. Модель - это всегда некое упрощение объекта исследования и в смысле его структуры, и по сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающий те основные свойства, которые интересуют исследователя.

Моделирование - это метод, при котором производится замена изучения какого-то сложного объекта (процесса, явления) исследованием его модели.

На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретический (при котором используется абстрактная модель), так и экспериментальный (используются предметные модели).

57 Модель естественного роста численности популяции

Модель Мальтуса

Им некот популяция одного вида, в кот происх жизн проц во всем их многообраз.

Основные допущения

Сущ только проц размн и естеств гибели, ск кот пропорц числ особей в данный момент врем.

Не учитываем биохимические, физиологические процессы.

Нет борьбы между особями за место обитания, за пищу (бесконечно большое пространство и количество пищи).

Рассматриваем только одну популяцию, нет хищников.

x – численность популяции в момент времени t

R – скорость размножения

γ – коэффициент размножения

R= γx скорость роста популяции

S – естественная убыль (гибель)

δ – коэффициент смертности

S=-δx

dx/dt=R+S= γx-δx=εx, где ε= γ-δ

ln(x/x0)=εt

Закон изменения популяции:

А) ε<0(при δ>γ), то есть ск гиб больше ск размн. Числ особей со вр упадет до нуля

Б) ε>0(при δ<γ), то есть ск размн больше ск гиб. Числ особей неогран растет со вр.

В) ε=0(при δ=γ), то есть ск гиб равна ск размн. Числ особи не изм, оставаясь на нач уровне.

58 Модель изменения численности популяции с учетом конкуренции между особями

Модель Ферхюльста

В модели Ферхюльста снято ограничение отсутствия борьбы. 

Рассм борьба особей за место обитания, добавляется доп ист гибели. Счит, что ск гибели за счет конкуренции между особями пропорц вероятн встреч двух особей. 

R=γx

S=-δx-∆x²

∆x² насильственная смерть

x(t)=x0ε/(ε-∆x)+∆x0

Математическая модель «хищник-жертва» (модель Вольтерра)

Имеется некоторая популяция 2-х видов – зайцы (жертвы) и рыси (хищника), в которой происходят жизненные процессы во всем их многообразии. Зайцы питаются растительной пищей, имеющейся в достаточном количестве (между зайцами отсутствует внутривидовая борьба). Рыси могут питаться только зайцами.

Использованные допущения:

1.    Два взаимодействующих вида: «хищник» и «жертва» обитают в некотором пространстве.

2.    В популяции «жертвы» нет борьбы за пространство и пищевые ресурсы; существуют процессы размножения, естественной гибели и гибели в результате встречи с «хищником».

3.    Вид «хищник» может питаться только видом «жертвой».

4.    В популяциях хищника и жертвы не учитываются биохимические и физиологические процессы.

 xt – число «жертв» в момент времени t;

 yt – число «хищников» в момент времени t;

dx/dt=γx-δx-αxy

α – вероятность встречи х и у

Umax – вероятность гибели травоядного

59. Фармокинетическая модель

Найдем законы изменения концентрации лекарственного препарата при различных способах и параметрах его введения и выведения.

В реальности ввод и вывод лекарства сопровождается большим числом разнообразных процессов. Это процессы всасывания в кровеносное русло при внесосудистом введении, перенос лекарства из крови к органам, удаление препарата из крови почками и др.

Основные допущения:

не будем рассматривать систему органов, через которые последовательно проходит лекарство. Исключим многостадийность процессов ввода, переноса, вывода лекарственного вещества.

не будем учитывать молекулярные механизмы процессов (например, проницаемость вещества, химические превращения)

Процессы ввода и вывода сведем к скорости.

Рассмотрим законы изменения c(t) при различных способах введения лекарства.

1 способ. Однократное введение лекарственного препарата – инъекция.

Представим себе организм как систему объемом V, после введения в которую лекарственного препарата массой m0, начинается его удаление из организма. Распределение препарата по организму предполагается равномерным. Скорость удаления p препарата из организма прямо пропорциональна его массе в организме: p=-km, k – коэффициент удаления препарата из организма. Скорость изменения массы лекарственного вещества в организме равна скорости его выведения p: dm/dt=p, следовательно, dm/dt=-km. Решение это дифференциального уравнения, с учетом начального условия, что при t=0 масса введенного лекарства m=m0, .

Концентрация лекарственного препарата в организме (например, в крови), c=m/V:

или , где V – объем крови, с0 – начальная концентрация

Концентрация лекарственного препарата в крови будет постепенно снижаться по убывающему экспоненциальному закону. Таким образом, при однократном способе введения лекарства не удаётся поддерживать в крови его постоянную концентрацию.

2-й способ. Непрерывное введение препарата с постоянной скоростью – инфузия (капельница).

В этом случае изменение массы лекарственного препарата в организме dm/dt определяется не только скоростью его удаления р, но и скоростью введения Q – количеством лекарственного вещества, вводимого в организм на единицу времени: dm/dt=Q-km. Решим это дифференциальное уравнение с учетом, что при t=0 масса m=0:

Введем новую переменную U=Q-km, dU=-kdm, dm=-dU/k, ∫dm/Q-km=1/k∫dU/U

Тогда получаем; и, наконец,

Концентрация лекарства в крови

В начальный момент времени t=0, c=0.

При t∞ величина 0 и cQ/kV

Через некоторое время после начала введения лекарства устанавливается постоянная концентрация c=Q/kV

3-й способ. Сочетание непрерывного введения лекарственного препарата с введением нагрузочной дозы. При этом фармакокинетическая модель привет вид: . Если выбрать соответствующие скорость введения лекарства Q=kVcопт и нагрузочную дозу m0=Q/k=Vcопт, постоянная концентрация с=сопт устанавливается мгновенно

60 Влияние физических полей на биосферу

Шумовое воздействие – одна из форм вредного физического воздействия на окружающую природную среду. Загрязнение среды шумом возникает в результате недопустимого превышения естественного уровня звуковых колебаний. С экологической точки зрения в современных условиях шум становится не просто неприличным для слуха, но и приводит к серьезным физиологическим последствиям для человека. В урбанизированных зонах развитых стран мира от действия шума страдают десятки миллионов людей. Процессы взаимодействия электромагнитных полей с живой клеткой, живым организмом довольно сложные и в настоящее время в полной мере не исследованы. Взаимодействия электромагнитных полей с биологическим объектом определяется (23,25,26):

- параметрами излучения (частотой или длиной волны, когерентностью колебания, скоростью распространения, поляризацией волны);

- физическими и биохимическими свойствами биологического объекта, как среда распространения электромагнитных полей (диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью, длиной электромагнитной волны в ткани, глубиной проникновения, коэффициентом отражения от границы воздух - ткань).

Механизм воздействия УФ изучения на живые организмы до конца не изучен, тем более не возможно предсказать последствия выживаемости разных биообъектов при увеличении интенсивности УФ излучения и смещению его спектра в сторону коротких волн. Этот процесс крайне нежелателен. Человечеству нужно позаботиться, чтобы атмосфера и озоновый слой оставались надежной защитой от губительного коротковолнового УФ излучения.

61 Электромагнитные волны. Спектр электромагнитных колн

Электромагнитные волны представляют собой поперечные волны и, в этом, аналогичны другим типам волн. Однако в ЭМВ происходят колебания полей, а не вещества, как в случае распространения волн на воде или в натянутом шнуре.

Векторы напряженности и электромагнитного поля удовлетворяют волновым уравнениям типа и , где - оператор Лапласа, ν – фазовая скорость

Фазовая скорость ЭМВ определяется выражением

, где -скорость света в вакууме

В веществе скорость распространения электромагнитных возмущений меньше в раз.

Скорость распространения электромагнитных волн в среде зависит от ее электрической и магнитной проницаемостей. Величину называют абсолютным показателем преломления. С учетом последнего имеем: и

Следовательно, показатель преломления есть физическая величина, равная отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их скорости в среде.

- волновое число

ω – круговая частота, φ – начальная фаза колебаний в точках с координатой х=0, ν – фазовая скорость

Таким образом:

Векторы ,,взаимно перпендикулярны, т. к. инаправлены одинаково

электромагнитная волна является поперечной;

электрическая и магнитная составляющие распространяются в одном направлении;

Векторы , колеблются в одинаковых фазах

Распространение электромагнитных волн связано с переносом ЭМ энергии (подобно тому, как распространение упругих волн в веществе связано с переносом механической энергии). Сама возможность обнаружения ЭМВ указывает на то, что они переносят энергию.

ЭМВ - способ передачи энергии и информации (в вакууме)

Объемная плотность энергии wэлектромагнитной волны

Поток энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны в единицу времени:

Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова-Пойнтинга:

Существование давления ЭМВ приводит к выводу о том, что электромагнитному полю (световым квантам) присущ электромагнитный импульс и масса.

Шкала ЭМВ

В оптике условно рассматривается три области:

Длина волны (λ) < размеров приборов;

геометрическая оптика.

λ сравнима с размеров приборов;

волновая оптика.

Λ < размеров приборов;

квантовая оптика.

62 Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

При прохождении ЭМВ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым: , где I0 – интенсивность падающего излучения.

Это выражение носит название закон Бугера, μ называется коэффициентом ослабления. В общем виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны веществом. Величина зависит от природы вещества и длины волны.

Процесс прохождения ионизирующего излучения, несущего большой запас энергии, через вещество,

оставляет свой след в виде изменений структурывещества.

Ионизирующее излучение (радиация) – поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие

которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. К ионизирующему излучению

относятся потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов, α-частиц и др. заряженных частиц, а также потоки

нейтронов, рентгеновское и гамма-излучение.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е.

электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер). Характер взаимодействия излучения с веществом

зависит от его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества.

Ядерные реакции с веществом происходят при взаимодействии с нейтронным излучением. Существенно

заметное протекание ядерных реакций на ядрах атомов вещества возможно лишь при значительных потоках α- и

β-частиц, γ-квантах больших энергий (более 1,02 МэВ) и при наличии в веществе ядер с большими сечениях

конкретных ядерных реакций (например, фотоядерных). В большинстве же случаев энергия ионизирующего

излучения расходуется на взаимодействие с электронными оболочками всех атомов вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом бывает двух типов: упругое и неупругое.

Упругое рассеяние частиц – процесс столкновения частиц, в результате которого меняются только их импульсы, а

внутреннее состояния остаются неизменным.

Неупругое рассеяние частиц – столкновение частиц, приводящее к изменению их внутреннего состояния, превращению в

другие частицыили дополнительному рождению новых частиц.

Ионизирующие излучения в виде α- и β-частиц при неупругом взаимодействии с электронными

оболочками атомов среды сопровождается потерей энергии ионизирующего излучения на ионизацию и

возбуждение атомов среды, т.е. оказывает прямое ионизирующее действие на вещество, в котором

распространяется. Взаимодействие β-излучения с электронными оболочками атомов среды иногда называют

косвенно ионизирующим излучением.

Количественно ионизирующее действие излучения характеризуют удельной ионизацией. Отметим, что

удельная ионизация, создаваемая γ-излучением, приблизительно в 5*104

раз меньше удельной ионизации от α-

частиц и 50 раз меньше удельной ионизации от β-частиц такой же энергии. Для количественной характеристики

энергии ионизирующего излучения, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, введена величина,

называемая поглощенной дозой ионизирующего излучения. В зависимости от поглощенной дозы

ионизирующего излучения нарушается структура вещества, в частности, степень действия ионизирующего

излучения на конструкционные материалыи другие объекты.

От характера взаимодействия ионизирующего излучения с конкретным веществом зависит проникающая

способность ионизирующего излучения. Эта величина имеет важное значение для решения ряда задач:

прогностического расчета изменения свойств конструкционных материалов, защиты от ионизирующего

излучения, регистрации излучения и др

Ионизация и возбуждение - первыйрезультат действии излучения на вещество.

Ионизация – превращение атомов или молекул в положительные ионы в результате отрыва

одного или нескольких электронов. Ионизации также могут подвергаться

положительные ионы, что приводит к увеличению кратности их заряда. Энергия,

необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации. Ионизация

происходит при поглощении электромагнитного излучения

(фотоионизация), при нагревании газа (термическая ионизация), при воздействии

электрического поля (полевая ионизация),

при столкновении частиц с электронами,

ионами, атомами (столкновительная ионизация) и др. Нейтральные атомы и молекулы могут в особых случаях

присоединять электроны, образуя отрицательные ионы.

Возбужденное состояние квантово-механической системы – неустойчивое состояние с энергией, превышающей энергию

основного состояния.

Энергия излучения, проходящего через вещество, теряется при столкновениях главным образом с

электронами. Электрон в атоме движется и удерживается на том или ином расстоянии от ядра благодаря

действию двух равных, но противоположных сил - силы притяжения между отрицательно заряженным

электроном и положительным ядром и центробежной силой отталкивания, возникающей в результате движения

вокруг ядра. Если электрон при столкновении с частицей излучения получил значительное ускорение, он может

преодолеть силу притяжения к ядру и покинуть атом и молекулу. Молекула при этом превращается в

положительный ион. Процесс потери электрона атомом или молекулой называют ионизацией, а ядерные

излучения по этой причине часто называют ионизирующими. Если же ускорение недостаточно для ионизации,

результатом столкновения явится изменение «орбиты» такого электрона, увеличение расстояния электрона от

ядра, т.е. увеличение потенциальной энергии электрона, «возбуждение» атома или молекулы. Получившуюся

при этом молекулу называют электронно-возбужденной или просто возбужденной. Такой процесс могут

вызывать не только ионизирующие излучения, но и свет.

63 поглощение излучения. Закон Бугера

Поглощение света в веществе связано с преобразованием энергии электромагнитного поля волны в тепловую энергию вещества (или в энергию вторичного фотолюминесцентного излучения). В макромире это взаимодействие выглядит как переход электромагнитной энергии в другие виды энергии, например, в тепловую энергию.

Закон поглощения света (закон Бугера) имеет вид:I=I₀ exp(-kx), где I₀, I -интенсивности света на входе (х=0) и выходе из слоя среды толщины х, k-коэффициент поглощения, он зависит от .Для диэлектриков k=10^-1 10^-5 м^-1 , для металлов k=10⁵ 10⁷ м^-1, поэтому металлы непрозрачны для света.Зависимостью k ( ) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красный свет, при освещении белым светом будет казаться красным.

66/ Рассеяние света биологическими средами

Рассеивание света или другого электромагнитного излучения — вариант распространения лучей в случайных направлениях, связанный с взаимодействием излучения и вещества, а также с неоднородностями в среде или на поверхности, или передачи излучения волн между двумя системами.

64 Поглощение излучения биологическими жидкостями. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматическогопучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

,

где  — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет,  — показатель поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения k, который связан с  формулой , где  — длина волны).

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества

65 коэффициент пропускания оптическая плотность

Коэффицие́нт пропуска́ния — безразмерная физическая величина, равная отношению потока излучения , прошедшего через среду, к потоку излучения , упавшего на её поверхность:

В общем случае значение коэффициента пропускания T тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава иполяризации излучения.

Коэффициент пропускания связан с оптической плотностью D соотношением:

Сумма коэффициента пропускания и коэффициентов отражения, поглощения и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии.

Опти́ческая пло́тность — мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него), то есть это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения):

К примеру D=4 означает, что свет был ослаблен в 104=10 000 раз, то есть для человека это полностью чёрный объект, а D=0 означает, что свет прошёл (отразился) полностью.

67Фотобиологические процессы и их стадии

1. Фотосинтез – преобразование солнечной энергии в продукты

2. Фототаксис – реакция на свет

3. Фотопериодизм - реакция живых организмов (растений и животных) на суточный ритм освещённости, продолжительность светового дня и соотношение между темным и светлым временем суток (фотопериодами).

4. Зрение

5. Фототропизм - изменение направления роста органов растений или положения тела (органов) у животных, в зависимости от направления падающего света.

6. Фотовоздействие на кожу

Стадии:

1. Поглощение энергии

2. Фотохимическая стадия (образование химических продуктов)

3. Биохимическая стадия

4. Реакция организма на воздействие

68 Ионизирующие излучения и их воздействие на биологические объекты

Прямое действие ионизирующих излучений — такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул (т. е. с утерей или приобретением электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»). Косвенное (непрямое) действие ионизирующих излучений — изменения молекул клеток и тканей, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и растворенных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами. Воздействие ионизирующей радиации на живое вещество проходит в три фазы: в физическую — длится Ю-13— 10~16с; в фазу первичных физико-химических превращений — Ю-6— 10_9с; в фазу химических реакций — 10~5—10_6с.

69 Рентгеновское излучение, получение и применение

 Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м) Применение. При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов. В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность. Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией. Получение Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. 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

70 Воздействие рентгеновского излучения на ткани и органы

В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии. В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом. Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10-13 сек. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10-10 сек образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10-б сек, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.

Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь. Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов

71 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют способность атомных ядер спонтанно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность можно разделить на два вида: естественную и искусственную. Естественную можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов которые были получены в результате проведения ядерных реакций.

Закон радиоактивного распада

Атомы радиоактивных веществ распадаются случайным образом. Невозможно предсказать какой именно атом испытает распад в данный момент времени. Но если атомов много, то в среднем за данный промежуток времени их распадается вполне закономерное количество: - закон радиоактивного распада. N - количество НЕраспавшихся атомов радиоактивного вещества в течение времени t

N0 - исходное количество атомов радиоактивного вещества

t - время распада вещества Т - период полураспада; время, в течение которого распадется половина всех атомов данного радиоактивного образца. Является характерным для каждого вещества.

 λ — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

где  — начальное число атомов, то есть число атомов для t=0

где  — скорость распада в начальный момент времени t=0

72 Основные типы радиоактивного распада

Альфа-распад

Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием альфа-частиц, называетсяальфа-распадом. 

Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра явля­ется образование двух протонов и двух нейтронов. Если при распределении энергии между частицами ядра это образование будет обладать энергией большей, чем энергия связи, то оно по­кинет ядро в виде альфа-частицы.

Если  — материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа-распаде происходит по следую­щей схеме (правило смещения):  где —символ дочернего ядра; —ядро атома гелия ; hv - квант энергии, испускаемой ядром.

При альфа-распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Например:

Бета-распад  Теория создана в 1930г. Энрико Ферми.

Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются согласно гипотезе Ферми в результате пре­вращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения  массовое число ядра не изменяется: .

При бета- распаде химический элемент пере­мещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электро­нов, испускается антинейтрино,

На­пример:

Гамма-излучение возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа-лучи, в меньшей степени— бета-лучи и совсем плохо — гамма-лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа-лучей (лист бумаги; несколько сантиметров слоя воздуха), а бета-лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма-лучей (например, для алюминия - пластины толщиной десятки сантиметров). Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая "уносится" с альфа- бета- и гамма-излучениями. Все радиоактивные элементы подвержены  радиоактивным превращениям. В некоторых случаях   у радиоактивного элемента  наблюдается   альфа- и бета-излучения одновременно.  Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение. Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

73 Прохождение ионизирующего излучения через биологические объекты

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты выделяют ряд последовательных этапов, объединенных между собой причинно-следственными связями: 1.Физико-химический этап (ионизация и возбуждение атомов и молекул) 2.Химический этап (образование свободных радикалов) 3.Биомолекулярный этап (повреждения белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул) 4.Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель организма) 5.Отдаленные биологические эффекты (опухоли, ге нетические эффекты, гибель организма и т. д.) Таким образом, начальное действие ионизирующих излучений происходит на атомном и молекулярном уровнях, затем, с течением времени, проявляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно выделяют два основных этапа. Первый этап – первичное (непосредственное) дей ствие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап – опосредованное

действие, которое обуславливается измене ниями, возникающими в организме под влиянием облучения. В результате многочисленных опытов, проведенных при облучении различных молекул, вирусов и бактерий, было предложено два теоретических направления, объясняющих механизм первичного действия ионизирующей радиации: 1) теория прямого действия излучений на молекулы, входящие в состав веществ и клеток; 2) теория косвенного действия. Прохождение излучения через вещество или молекулы биологического субстрата сопровождается передачей энергии атомам вещества, что вызывает ионизацию и возбуждение атомов. Этот первый этап воздействия излучения характеризует акт прямого взаимодействия. Следовательно, под прямым действием ионизирующих излучений понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, при этом поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и молекул. Под косвенным (непрямым) действием понимают изменение молекул клеток в результате взаимодействия их с продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ, а не в результате поглощения ими энергии излучения.

75Естественный радиоактивный фон Земли.

Радиационный фон – радиоактивное излучение, присутствующее на Земле от естественных и техногенных источников, в условиях которого постоянно находится человек. Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из следующих компонентов:

космическое излучение;

излучение от находящихся в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов;

излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.

    Облучение может быть внешним и внутренним. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое излучение, наземные источники). Внутреннее облучение осуществляют радионуклиды, находящиеся в теле человека. За счёт космического излучения большинство населения получает дозу 35 мбэр в год (1 мбэр = 10-3 бэр). Такую же дозу (35 мбэр/год) человек получает от внешних земных источников естественного происхождения. Доза внутреннего облучения от естественных источников составляет в среднем 135 мбэр/год (3/4 этой дозы даёт не имеющий вкуса и запаха тяжёлый радиоактивный газ радон и продукты его распада). Таким образом, суммарная доза внешнего и внутреннего облучения человека от естественных источников радиации в среднем равна около 200 мбэр/год.     В результате деятельности человека в непосредственно окружающей его среде появились дополнительные источники радиации, в том числе естественные радионуклиды, извлекаемые в больших количествах из недр Земли вместе с углём, газом, нефтью, минеральными удобрениями, сырьём для строительных материалов. 

76 Нарушения естественного радиоактивного фона

Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к неисправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона является активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. может приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными причинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц,которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).

В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление деления ядер радиоактивных элементов, например, ядер урана. Это явление заключается в том, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа урана его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождается испусканием двух или трёх нейтронов, например: . Эта р-ция одна из типичных, хотя в природе существуют ещё многие другие реакции деления урана. Важно, что при делении урана высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядрабольше суммарной массы осколков деления.

Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А: А=-dN/dt, где N – количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри(Ku): 1Ku=3,7*10^10 распад/с

Активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону: , где λ – постоянная распада, N0 – начальное количество ядер.

Для точечных источников излучений мощность экспозиционной дозы уменьшается с расстоянием по закону:, где r – расстояние от источника излучения, - гамма-постоянная, зависящая от природы радиоактивного источника.

Таким образом, при выпадении радионуклидов на почву степень опасности их влияния на организм зависит от природы радиоактивного изотопа, его активности и расстояния r от человека до источника, а экспозиционную дозу можно оценить из соотношения где ∆t – время облучения.

78 Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его. Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов – они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 – 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела. Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов. Магнитное поле. Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.