ФИЗИКА

1. предмет изучения физики

Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает материю (вещество и поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

4. Гармонич колебат движ. Ур-е гармон колеб. Усл невозможности колеб движ.

Повторяющиеся движ или изменения сост наз-ют колебаниями. Всем колеб неза­висимо от их прир присущи некоторые общие закономер­ности. Колебания распр-ся в среде в виде волн.

Среди разл видов колебаний наиболее простой формой явл гармоническое колебание, т.е. такое, при кот колеблющая­ся величина изм-ся в зависимости от времени по закону sin или cos.

Гармонич колеб совершают: 1)пруж маятник(изм-ие упругой силы, согласно закону Гука, пропорц-но изм-ю длины пруж или смещению х точки: F=-kx), 2) Математ маятник

На материал точку действуют сила натяжения F_H нити и сила тяжести тg. Их равнодействующая равна F=-mgtgα=-mgx/l=-kx, где k=mg/l, -kx=m(d²x/dt²),

Решение дифференциального уравнения второго порядка приводит к гармоническому закону x=Acos(ω_o+φ_o), где—фаза колебаний; φ_о—начальная фаза (при t=0); ω_o—круговая частота колебаний, А—их амплитуда.

Амплитуда и начальная фаза колебаний определяются началь­ными условиями движения, т.е. положением и скоростью матери­альной точки в момент t=0.

ω_o определяет частоту колебаний системы и показывает, от каких факторов

эта частота зависит: упругости и массы пружинного маятника в одном примере, длины нити и ускорения свободного падения — в другом.

Период колебаний может быть найден из формулы

_, период пружинною маятника: период математи­ческого маятника:

5

Волновое движ. Ур-е волны. Плотность энергии волны.

Механической волной наз-ют механич возмущения, распро­стр-ся в пространстве и несущие энергию.

. азличают 2осн вида механич волн: упругие волны — распространение упругих деформаций — и волны на поверхности. Упругие волны возникают благодаря связям, сущ-щим м/у частицами среды: перемещение 1ой частицы от положения равновесия приводит к перемещ сосед частиц. Этот про­цесс распр-ся в пространстве с конечной скоростью.

Ур-е волны выражает зависимость смещения колеблющей­ся точки, участвующей в волновом процессе, от коор-ты ее равновесного положения и времени. Для волны, распр-щейся вдоль направления ОХ, эта зависимость записывается в общем виде: Если s и х направлены вдоль 1ой прямой, то волна продоль­ная, если они взаимно перпендикулярны, то волна поперечная.

Ур-е плоской волны. Пусть волна распр-ся без затухания так, что амплитуды колебаний всех точек одинаковы и равны А. Зададим колебание точки с коор-той х=0 ур-ем До точки с некоторой произвольной коор-той х возмущение от начала коор-т дойдет ч/з время τ, поэтому колебания этой точки запаздывают:Т.к. время и скорость распр-ния волны связаны зависимостью то получаем

Ур-е плоской волны позволяет опр-ть смещение любой точки, участвующей в волновом процессе, в любой мом времени. Аргумент при косинусе φ=w(t - x/v) наз-ют фазой волны. Множество точек, имеющих одновременно одинаковую фазу, наз-ют фронтом волны.

Длиной волны наз-ют расстояние м/у двумя точками, фазы кот в один и тот же момент времени отличаются на 2π. Она равна расстоянию, пройденному волной за период колебания:

Волновой процесс связан с распределением энергии. Кол-вен­ной характеристикой перенесенной энергии является поток энер­гии. Поток энергии волн (Ф) хара­ктеризуется средней энергией, переносимой волнами за единицу времени ч/з некоторую повер­хность. Единицей потока энергии волн является ватт (Вт). _,где w_ρ -объемная платность энергии колебательного движения(среднее значение энергии колебательного движ частиц, участ­вующих в волновом процессе и расположенных в 1 м³).

Поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн, наз-ют пло­тностью потока энергии волн или интенсивностью волн: Единицей плотности потока энергии волн является ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Энергия, переносимая упругой волной, складывается из потен­циальной энергии деформации н кинетической энергии колеблющих­ся частиц. _,

6. Сложение колебаний. Гармонический анализ.

Материальная точка может одновременно участвовать в нескольких колебаниях. В этом случае, чтобы найти уравнение и траекторию результирующего движения, следует сложить колебания. Наиболее просто выполняется сложение гармонических колебаний.

Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой. Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях, происходящих вдоль одной линии. Такие колебания выражаются следующими уравнениями. Допустим, что частоты складываемых колебаний одинаковы тогда результи­рующее смещение точки

Сложение с помощью векторной диаграммы. _{(по теореме косинусов)}

tg φ_о равен отношению проекции А на ось OY к проекции А на ось ОХ, т.е. Учитывая, что проекция суммы равна сумме проекций, имеем: , ,

Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колеба­ний. Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях: одно направлено вдоль оси ОХ, другое — вдоль оси OY. Колебания заданы следующими уравнениями: Допустим, что частоты колебаний одинаковы, т.е.= = -, тогда x=A₁cos(ω₀+φ₀₁); y=A₂cos(ω₀t+φ₀₂). При одновременном участии в двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаниях одинаковой частоты материальная точка движется по эллиптической траектории.

При сложении взаимно перпендикулярных колебаний разных частот получаются различные траектории материальной точки, названные фигурами Лисслжу.

Под гармонич анализом понимают разложение сложных форм колебаний на простые. Гармонич анализ-метод аналитического мышления. Применяется в мед для биограмм и кардиограмм, эффективен при анализе голоса, часто применяется при исследовании структур молекул, спектра.

7. В гармоническом спектре сложного колебания указываются частоты и амплитуды всех составляющих его простых колебаний. Обычно спектр изображается в виде графика, на горизонтальной оси которого откладываются частоты; затем для каждой из частот простых колебаний имеющихся в спектре, строится ордината, соответствующая амплитуде этого колебания. Если гармонический спектр сложного колебания содержит только небольшое число простых колебаний и график его состоит из отдельных ординат, то такой спектр называется линейчатым (рис. 5.).

Если спектр содержит простые колебания практически всех частот в каких-то пределах, то он называется сплошным и график его строится в виде сплошной огибающей кривой.

Установление гармонического спектра является основным приемом при анализе сложного колебания. Этот анализ делается с помощью специальных приборов —гармонических анализаторов. Они применяются и в медицине при исследовании, например, колебаний биопотенциалов головного мозга и др. Многие процессы человеческого организма являются периодическими: сердечные сокращения, дыхание, кровенаполнение сосудов и т. п

8. Потери энергии (уменьшение гидравлического напора) можно наблюдать в движущейся жидкости не только на сравнительно длинных участках, но и на коротких. В одних случаях потери напора распределяются (иногда равномерно) по длине трубопровода - это линейные потери; в других - они сосредоточены на очень коротких участках, длиной которых можно пренебречь, - на так называемых местных гидравлических сопротивлениях: вентили, всевозможные закругления, сужения, расширения и т.д., короче всюду, где поток претерпевает деформацию. Источником потерь во всех случаях является вязкость жидкости.

Следует заметить, что потери напора и по длине и в местных гидравлических сопротивлениях существенным образом зависят от так называемого режима движения жидкости.

9.Распределение скорости течения жидкости в сосуде.

Течение вязкой жидкости по трубам представляет для медицины особый интерес, так как кровеносная система состоит в основном из цилиндрических сосудов разного диаметра.

Вследствие симметрии ясно, что в трубе частицы текущей жидкости, равноудаленные от оси, имеют одинаковую ско­рость. Наибольшей скоростью обладают частицы, движущие­ся вдоль оси трубы; самый близкий к трубе слой жидкости непод­вижен.

Для определения зависимостивыделим мысленно цилиндрический объем жидкости некоторого радиуса r и длины l. На торцах этого цилиндра поддерживаются давления р₁ и p₂ соответственно, что обусловливает результирующую силу На боковую поверхность цилиндра со стороны окружающего слоя жид­кости действует сила внутреннего трения_, где— площадь боковой поверхности цилиндра. Т.к. жидкость движется равномерно, то силы, действующие на выделенный цилиндр, уравновешены: получаем Знак <—> в правой части уравнения обусловлен тем, что(скорость уменьшается с увеличением r). Получаем параболическую зависимость скорости слоев жидкости от расстояния их до оси трубы:

Наибольшую скорость имеет слой, текущий вдоль оси трубы (г = 0):

формула Пуазейля:

Площадь сечения слоя ,, получаемоткуда интегрированием по всему сечению находим

При заданных внешних условиях (р₁ и p₂) через трубу протекает тем больше жидкости, чем меньше ее вяз­кость и больше радиус трубы. Сильная зависимость Q от радиуса обусловливается изменением не только объема, но и относительной доли слоев, расположенных вблизи поверхности трубы.

Проведем аналогию между формулой Пуазейля и законом Ома для участка цепи без источника тока. Разность потенциалов соответствует разности давлений на концах трубы, сила тока — объему жидкости, протекающей через сечение трубы в 1 с, электри­ческое сопротивление — гидравлическому сопротивлению:

Гидравлическое сопротивление тем больше, чем больше вязкость η, длина l трубы и меньше площадь поперечного сечения. Аналогия м/у электрическим и гидравлическим сопротивлениями позволя­ет в некоторых случаях использовать правило нахождения электрического сопротивления последовательного и параллельного соедине­ний проводника для определения гидравлического сопротивления системы последовательно или параллельно соединенных труб. Общее гидравлическое сопротивление трех труб, соеди­ненных последовательно и параллельно Чтобы придать уравнению Пуазейля более общее выражение, справедливое и для труб переменного сечения, заменим (р₁ - p₂)/l градиентом давленияи тогда

10. Кол-во жидкости протекающее ч/з сосуд данного сечения и зависимость его от радиуса сосуда. Число Рейнольдса.

Течение жидкости может быть слоистым, или ламинарным. Увеличение скорости течения вязкой жидкости вслед­ствие неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрение и движение становится вихревым, или турбу­лентным. При турбулентном течении скорость частиц в каждом месте беспрерывно и хаотически изменяется, движение является нестационарным.

Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жид­кости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется числом Рейнольдса:

где ρ_ж —плотность жидкости; D — диаметр трубы.

Если число Рейнольдса больше некоторого критического (Re > > Re_Kp), то движение жидкости турбулентное.

Так как число Рейнольдса зависит от вязкости и плотности жидкости, то удобно ввести их отношение, называемое кинемати­ческой вязкостью:

Используя это понятие, число Рейнольдса можно выразить в виде

Единицей кинематической вязкости является квадратный метр на секунду (м²/с).

Кинематическая вязкость полнее, чем динамическая, учитывает влияние внутреннего трения на характер течения жидкости или газа.

Характер течения жидкости или газа существенно зависит от размеров трубы. В широких трубах даже при сравнительно небольших скоростях может возникнуть турбулентное движение.

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, не­большая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патоло­гии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным. Число Рейнольдса является критерием подобия. При моделиро­вании гидро- и аэродинамических систем, в частности кровеносной системы модель должна иметь такое же число Рейнольдса, как и натура, в противном случае не будет соответствия между ними. Это относится также и к моделированию обтекания тел при движении их в жидкости или газе. Уменьшение размеров модели по сравнению с натурой должно быть скомпенсировано увеличением скорости течения или уменьшением кинематической вязкости модельной жидкости или газа.

25.Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. При интерференции света происходит перераспределение энергии в пространстве.

Интерференция света, сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей (см. Интерференция волн). Некоторые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. Свет, Оптика). Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем.

19. Биологические ткани и органы являются довольно разнородный образованиями с различными электрическими сопротивлениям^' которые могут изменяться при действии электрического тока. Э^ обусловливает трудности измерения электрического сопротивлен0* живых биологических систем.

Электропроводимость отдельных участков организма, нах^ дящихся между электродами, наложенными непосредственно ^ поверхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи ' подкожных слоев. Внутри организма ток распространяется в о&" новном по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцам, об^ лочкам нервных стволов. Сопротивление кожи, в свою очеред*" определяется ее состоянием: толщиной, возрастом, влажностью ** т.п.

Электропроводимость тканей и органов зависит от их фукц^ овального состояния и, следовательно, может быть использовав как диагностический показатель. Так например, при воспалений' когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соед^ нений и увеличивается электрическое сопротивление; физиолог**'' ческие явления, вызывающие потливость, сопровождаются возраст танием электропроводимости кожи, и т. д.

24. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СЪЕМА, ПЕРЕДАЧИ И РЕГИСТРАЦИИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоя­нии и параметрах медико-биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств. Структурная схема измерительной цепи изображена на рис. 21.1.

Первичный элемент этой совокупности — чувствительный эле­мент средства измерений, называемый устройством съема, — не­пременно контактирует идя взаимодействует с самой системой. Устройство съема преобразует информацию медико-био­логического и физиологического содержания в сигнал электронно­го устройства. В медицинской электронике используются два вида устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементам измерительной цепи является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступно* для непосредственного восприятия наблюдателем.

Электроды — это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электро­магнитного воздействия, например в реографии. В медицине элек­троды используются также для оказания электромагнитного воз­действия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую ста­бильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т.п.

Важная физическая проблема, относящаяся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, заключается в минимизации потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивле­нии электрод — кожа. Для уменьшения переходного сопротивления электрод — кожа стараются увеличить проводимость среды между электродом и кожей, используют марлевые салфетки, смоченные физиологичес­ким раствором, или электропроводящие пасты.

По назначению электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы: 1) для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы; 2) для длительного использования, например ори постоянном наблюдении за тяжело­больными в условиях палат интенсивной терапии; 3) для использо­вания на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4) для экстренного применения, например в условиях скорой помощи.

27. Предел разрешения — это такое наименьшее расстояние между двумя точками предмета, когда эти точки различимы, т.е. вос­принимаются в микроскопе как две точки.

Разрешающая способность - способность микроскопа давать раздельные изображения мелких деталей рас­сматриваемого предмета. Это величина обратна пределу разреше­ния. Разрешающая способность микроскопа обусловлена волновыми свойствами света.

В оптических устройствах, в том числе и в микроскопе, пучки света всегда ограничены, поэтому важно знать, как это повлияет на искажение изображения предмета, какое минимальное количество лучей способно передавать правильную информацию о предмете.

Главные максимумы попарно симметрично располагаются, отно­сительно центрального и в некоторой степени дублируют друг друга. Совокупность максимумов, расположенных с одной сторо­ны от центра, вместе с централь­ным достаточна, чтобы передать информацию о предмете. Следо­вательно, экранирование лучей, идущих от максимумов, распо­ложенных по другую сторону от центра, лишь уменьшит яркость изображения предмета.

Как видно из формулы (где А — числовая апертура; n — показатель преломления среды, находящейся между предметом и линзой объектива), один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа — использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый мик­роскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Другой способ уменьшения предела разрешения микроскопа — увеличение числовой апертуры, что достигается увеличением как показателя преломления среды между предметом и объективом, так и апертурного угла. Числовая апертура может быть увеличена с помощью специаль­ной жидкой среды — иммерсии — в пространстве между объективом и покровным стеклом микроскопа. Окуляр совершенно не влияет на разрешающую способность микроскопа, он только создает увеличен­ное изображение объектива.

26. Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса (см. § 170), согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 256). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

Явление дифракции характерно для волновых процессов. Поэтому если свет является волновым процессом, то для него должна наблюдаться дифракция, т. е. световая волна, падающая на границу какого-либо непрозрачного тела, должна огибать его (проникать в область геометрической тени). Из опыта, однако, известно, что предметы, освещаемые светом, идущим от точечного источника, дают резкую тень и, следовательно, лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения. Почему же возникает резкая тень, если свет имеет волновую природу? К сожалению, теория Гюйгенса ответить на этот вопрос не могла.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса - Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии - такая же, как при отсутствии экрана.

Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако, как будет показано ниже, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием.

 28. Волновые свойства частиц можно использовать не только для дифракционною структурною анализа, но и для получения увели­ченных изображений предмета.

Электронный микроскоп и его отдельные элементы по своему назначению подобны оптическому.

В оптическом микроскопе носителем информации о предмете явля­ется фотон, свет. Источником света обычно служит лампа накаливания. После взаимодействия с предметом (поглощение, рассеяние, дифракция) поток фотонов преобразуется и содержит информацию о предмете. Поток фотонов формируется с помощью оптических устройств, в основном линз: конденсора, объектива, окуляра, Изображение регистрируется глазом (или фотопластинкой, фотолюминесцирующим экраном и т.д.).

В электронном микроскопе носителем информации о предмете является электрон, а источником электронов — подогреваемый катод. Ускорение электронов и образование пучка осуществляют фокусирующим электродом и анодом — системой, называемой электронной пушкой. После взаимодействия с предметом (в основном рассеяние) поток электронов преобразуется и содержит информацию о предмете. Формирование потока электронов происходит под воздействием электрического поля (система электродов и конденсаторов) и магнитного (система катушек с током). Эти системы называют электронными линзами по аналогии с оптическими линзами, которые формируют световой поток (конденсорная; электронная, служащая объективом, проекционная). Изображение регистрируется на чувствительной к электронам фотопластинке или катодолюминесцирующем экране.

23. ОБЩАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника - область науки и техники, в которой рас­сматриваются работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств (приборов).

Общую электронику можно подразделить на группы либо по области применения, либо по классу используемых устройств, либо по категории теоретичес­ких вопросов (физическая электроника, техническая элект-­ка, полупроводниковая электр-ка и т.д.)

Иногда всю электронику подразделяют на три крупные области: 1)вакуумная электроника, кот охватывает вопросы создания и применения электровакуумных приборов(электронные лампы, фотоэлектронные устройства, рентгеновские трубки, газоразрядные приборы); 2)твердотельная электроника, кото­рая охватывает вопросы создания и примене­ния полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных схем; 3)квантовая элект­роника — специфический раздел электроники, имеющий отношение к лазерам и мазе­рам.

Одно из распростра­ненных применений электронных устройств связано с диагностикой и лечением заболеваний. Разделы электроники, в которых рассмат­риваются особенности применения электронных систем для реше­ния медико-биологических задач, а также устройство соответству­ющей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Медицинская электроника основывается на сведениях из физи­ки, математики, техники, медицины, биологии, физиологии и других наук, она включает в себя биологическую и физиологичес­кую электронику. Основные группы электронных приборов и аппаратов, исполь­зуемых для медико-биологических целей: 1)Устройства для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации. Сюда относится большая часть диагностической аппаратуры, электромедицинская аппаратура для лабораторных исследований. Для подавляющего большинства этих приборов в радиотехническом отношении характерно наличие усилителей электрических сигналов. 2)Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воз­действие на организм различными физическими факторами с целью лечения. С физической точки зрения эти устройства являются генераторами различных электри­ческих сигналов. 3)Кибернетические электронные устройства: а) электронные вычислительные машины для переработки, хранения и автомати­ческого анализа медико-биологической информации; б) устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования состоянием окружающей человека среды; в) элект­ронные модели биологических процессов и др.

Основное и главное требование электробезопасности мед аппаратуры— сделать недоступным касание частей аппаратуры, находящихся под напряжением. Для этого прежде всего изолируют части приборов и аппаратов, находящиеся под напряжением, друг от друга и от корпуса ап­паратуры. Изоляция, выполняющая такую роль, называется основ­ной или рабочей. Отверстия в корпусе должны исключать возмож­ность случайного проникновения и касания внутренних частей аппаратуры пальцами, цепочками для украшений и т.п. Защитные заземле­ния или зануления должны обеспечивать в установках с изолиро­ванной нейтралью безопасную силу тока, проходящего через тело человека при замыкании сети на заземленные части аппаратуры, в установках с заземленной нейтралью — автоматическое отключение аппаратуры от электрической сети. Соблюдать общие указания: 1)не касайтесь приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела; 2)не работайте на влажном, сыром полу, на земле; 3)не касайтесь труб, металлических конструкций при работе с электроаппаратурой; 4)не касайтесь одновременно металлических частей двух аппара­тов.

Способность изделия не отказывать в работе в заданных усло­виях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют надежностью. Коли­чественные показатели надежности: 1)вероятность без­отказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа N работающих (не испортившихся) за время t изделий к общему числу N₀ испытывавшихся изделий: 2)интенсивность отка­зов λ(t). Этот показатель равен отношению числа отказов dN к произведению временя dt на общее число N работающих элементов: Знак <—> поставлен в связи с тем, что dN < 0, так как число работающих изделий убывает со временем.

29.    В основе МСЛ лежит качественное и количественное сравнение измеренного спектра исследуемого образца со спектрами индивидуальных веществ. Соответственно различают качественный и количественный МСА. В МСА используют различные виды молекулярных спектров (См. Молекулярные спектры), вращательные [спектры в микроволновой и длинноволновой инфракрасной (ИК) областях], колебательные и колебательно-вращательные [спектры поглощения и испускания в средней ИК-области, спектры комбинационного рассеяния света (КРС), спектры ИК-флуоресценции], электронные, электронно-колебательные и электронно-колебательно-вращательные [спектры поглощения и пропускания в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях, спектры флуоресценции]. МСА позволяет проводить анализ малых количеств (в некоторых случаях доли мкг и менее) веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

         Основные факторы, определяющие возможности методов МСА:

         1) информативность метода. Условно выражается числом спектрально разрешаемых линий или полос в определённом интервале длин волн или частот исследуемого диапазона (для микроволнового диапазона оно Спектральный анализ 10⁵, для средней ИК-области в спектрах твёрдых и жидких веществ Спектральный анализ 10³);

         2) количество измеренных спектров индивидуальных соединений;

         3) существование общих закономерностей между спектром вещества и его молекулярным строением;

         4) чувствительность и избирательность метода;

         5) универсальность метода;

         6) простота и доступность измерений спектров.

         Качественный МСА устанавливает молекулярный состав исследуемого образца. Спектр молекулы является его однозначной характеристикой. Наиболее специфичны спектры веществ в газообразном состоянии с разрешенной вращательной структурой, которые исследуют с помощью спектральных приборов высокой разрешающей способности. Наиболее широко используют спектры ИК-поглощения и КРС веществ в жидком и твёрдом состояниях, а также спектры поглощения в видимой и УФ-областях. Широкому внедрению метода КРС способствовало применение для их возбуждения лазерного излучения.

         Для повышения эффективности МСА в некоторых случаях измерение спектров комбинируют с др. методами идентификации веществ. Так, всё большее распространение получает сочетание хроматографического разделения смесей веществ с измерением ИК-спектров поглощения выделенных компонент.

         К качественному МСА относится также т. н. структурный молекулярный анализ. Установлено, что молекулы, имеющие одинаковые структурные элементы, обнаруживают в спектрах поглощения и испускания общие черты. Наиболее ярко это проявляется в колебательных спектрах. Так, наличие сульфгидрильной группы (—SH) в структуре молекулы влечёт за собой появление в спектре полосы в интервале 2565—2575 см^-1, нитрильная группа (—CN) характеризуется полосой 2200—2300 cм^-1 и т. д. Присутствие таких характеристических полоса колебательных спектрах веществ с общими структурными элементами объясняется характеристичностью частоты и формы многих молекулярных колебаний. Подобные особенности колебательных (и в меньшей степени электронных) спектров во многих случаях позволяют определять структурный тип вещества.

         Качественный анализ существенно упрощает и ускоряет применение ЭВМ. В принципе его можно полностью автоматизировать, вводя показания спектральных приборов непосредственно в ЭВМ. В её памяти должны быть заложены спектральные характеристические признаки многих веществ, на основании которых машина произведёт анализ исследуемого вещества.

         Количественный МСА по спектрам поглощения основан на Бугера - Ламберта - Бера законе, устанавливающем связь между интенсивностями падающего и прошедшего через вещество I света от толщины поглощающего слоя I и концентрации вещества с:

         I(l)=I₀e^-χcl

         Коэффициент χ является характеристикой поглощающей способности определяемого компонента для данной частоты излучения. Важное условие проведения количественного МСА — независимость χ от концентрации вещества и постоянство χ в измеряемом интервале частот, определяемом шириной щели спектрофотометра. МСА по спектрам поглощения проводят преимущественно для жидкостей и растворов, для газов он значительно усложняется.

         В практическом МСА обычно измеряют т. н. оптическую плотность:

         D = In (/_о//) = χсl.

         Если смесь состоит из n веществ, не реагирующих друг с другом, то оптическая плотность смеси на частоте ν аддитивна: m точках спектра смеси (m ≥ n) и решению получаемой системы уравнений:

        

        

         Для количественного МСА обычно пользуются спектрофотометрами, позволяющими производить измерение /(ν) в сравнительно широком интервале ν . Если полоса поглощения исследуемого вещества достаточно изолирована и свободна от наложения полос др. компонент смеси, исследуемый спектральный участок можно выделить, например, при помощи интерференционного Светофильтра. На его основе конструируют специализированные анализаторы, широко используемые в промышленности.

         При количественном МСА по спектрам КРС чаще всего интенсивность линии определяемого компонента смеси сравнивают с интенсивностью некоторой линии стандартного вещества, измеренной в тех же условиях (метод «внешнего стандарта»). В др. случаях стандартное вещество добавляют к исследуемому в определённом количестве (метод «внутреннего стандарта» ).

         Среди др. методов качественного и количественного МСА наибольшей чувствительностью обладает флуоресцентный анализ, однако в обычных условиях он уступает методам колебательной спектроскопии в универсальности и избирательности. Количественный МСА по спектрам флуоресценции основан на сравнении свечения раствора исследуемого образца со свечением ряда эталонных растворов близкой концентрации.

         Особое значение имеет МСА с применением техники замороженных растворов в специальных растворителях, например парафинах (см. Шпольского эффект). Спектры веществ в таких растворах (спектры Шпольского) обладают ярко выраженной индивидуальностью, они резко различны для близких по строению и даже изомерных молекул. Это позволяет идентифицировать вещества, которые по спектрам их флуоресценции в обычных условиях установить не удаётся. Например, метод Шпольского даёт возможность осуществлять качественный и количественный анализ сложных смесей, содержащих ароматические углеводороды. Качественный анализ в этом случае производят по спектрам люминесценции и поглощения, количественный — по спектрам люминесценции методами «внутреннего» и «внешнего» стандартов. Благодаря исключительно малой ширине спектральных линий в спектрах Шпольского в этом методе удаётся достигнуть пороговой чувствительности обнаружения некоторых многоатомных ароматических соединений

21. ТЕОРИЯ МАКСВЕЛЛА. Максвелл создал в рамках классичес­кой физики теорию электромагнитного поля.

В основе теории Максвелла лежат два положения. 1. Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно, по­добно обычному току, вызывает магнитное поле.

Сила тока смещения _, плот­ность тока смещения: .

Подставляя выражение для силы тока смещения в закон полного тока, получаем первое уравнение Максвелла ,которое показывает, что вихревое магнитное поле порождается как токами проводимости 1_Щ (движущимися электрическими заряда­ми), так и токами смещения (переменным электрическим полем Е).

2. Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое элект­рическое (основной закон злектромагннтной индукции). Второе уравнение Макс­вела которое связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряженности электри­ческого поля, возникающего при этом. Циркуляция берется по контуру, на который опирается поверхность.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. Взаимное образование электрических и магнитных полей приводит к понятию электромагнитной волны - распространение единого электромагнитного поля в пространстве. Волновое уравнение

Аналогичное уравнение можно получить и для напряженности магнитного поля:

Скорость распространения электромагнитной волны где- скорость света в вакууме.

Скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света.

Объемная плотность энергии электромагнитного поля складыва­ется из объемных плотностей электрического и магнитного полей: Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля в диэлектрике энергетически равноправны, поэтому тогда для объемной плотности энергии можно записать несколько выражений:

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ИНТЕРВАЛОВ, ПРИНЯТАЯ В МЕДИЦИНЕ

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, уф, рентгеновские и гамма-излучение. Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, либо возмож­ностью зрительного восприятия их человеком.

Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, види­мое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, γ-излучение имеет ядерное происхождение. Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах.

Радиоспектроскопия - изуча­ет поглощение и излучение радиоволн различными веществами. В медици­не принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны 1)Низкие(НЧ) 2)Звуковые(ЗЧ) 3)Ультразвуковые или надтональные(УЗЧ) 4)Высокие(ВЧ) 5)Ультравысокие(УВЧ) 6)Сверхвысокие(СВЧ) 7)Крайневысокие(КВЧ).

30. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. Электромагнитную волну, в которой векторы Е(напряженность элект поля) и, следовательно, векторы Н(напряженность магн поля) лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е в направ­лении распространения электромагнитной волны, является плос­костью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В ес­тественном свете складываются неупорядо­ченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направление Е не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризо­ванных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным перпен­дикулярным лучу направлениям.

Луч света, состоящий из естественной и поляризованной сос­тавляющих, назы-ют частично поляризованным.

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плос­кость — главную плоскость поляризатора.

При этом через поляризатор проходит поляризованный свет², ин­тенсивность которого равна половине интенсивности падающего света. При вращении поляризатора относительно луча естествен­ного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоско­поляризованного света, но интенсивность его не изменяется. Поля­ризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Уравнение выражает зеком Малюса, где Iо — интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор; I — интенсивность света, вышедшего из анализатора; φ — угол между главными плоскостями поляризатора и ана­лизатора.

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздва­ивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления и

поэтому этот луч называют обыкно­венным, для другого — не выпол­няются и луч называют необыкно­венным.

При двойном лучепреломлении при нормальном падении света на повер­хность кристалла обыкновенный луч, как это следует из закона преломления, про­ходит не, преломляясь, необыкновен­ный — преломляется.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча обыкновенный и необыкновенный — распространяются с од­ной скоростью, называют ояточестит осями кристалла. Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны

главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскос­ти, т.е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распрост­ранения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплиту­ды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не исполь­зуются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необык­новенных лучей слишком мало разведены или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготовляют специальные поляризаци­онные призмы.

32. Приведем формулу тонкой линзы, известную из школьного курса:

(2i.l)

где oi — расстояние от предмета до линзы; о₂ — расстояние от изображения до линзы; #i и R% — радиусы кривизны передней и задней сферических поверхностей линзы соответственно; я — пока­затель преломления вещества, из которого изготовлена линза; ок­ружающая среда — воздух. Фокусное расстояние для такой линзы

(26.2)

Учитывая (26.2), формулу линзы представим в виде

• (26.3)

Соотношение (26.1) получено для тонкой линзы при следующих предположениях: 1) изображение формируется приосевыми (ялрак-оиимммш) лучами; 2) лучи составляют небольшие углы с главной осью системы; 3) показатель преломления для всех длин волн оди­наков. При выполнении таких условий создается точечное изобра­жение, т.е. каждая точка предмета дает одну точку изображения.

Эти условия не реализуются на практике. Показатель прелом­ления зависит-от длины волны (дисперсия). Точки предмета лежат в стороне от оптической оси, что не отвечает второму условию. Применение только параксиальных лучей существенно ограничило бы световые потоки.

Все это приводит к йберряциям^, или погрешностям реальных оптических систем, существенно снижающим качество оптических изображений. Однако, зная причины аберраций, можно добиться их устранения, если соответствующим образом подобрать систему лина.

Рассмотрим некоторые основные аберрации линзы. а Сферическая аберрация. Она заключается в том, что перифе­рические части линзы сильнее отклоняют лучи, идущие от точки 5

на оси, чем центральные (рис. 26.1). Изображение светящейся точ­ки на экране Э имеет вид светлого пятна. Для устранения сфери­ческой аберрации и Создают систему из вогнутой и выпуклой линз. п Астигматизм². Это недостаток оптической системы, при которой сферическая световая волна, проходя оптическую систему, дефор­мируется и перестает быть сферической.

Различают два вида астигматизма. Один из них обусловлен падением на оптическую систему лучей, составляющих значитель­ный угол с оптической осью (астигматизм косых пучков).

Пусть точка А предмета расположена вне главной оптической оси (рис. 26.2, а); из всех лучей, идущих от этой точки, выделим небольшой элементарный пучок таким образом, чтобы его цен­тральный луч AS лежал в одной плоскости с главной оптической осью 00'. Любую плоскость, проходящую через главную оптичес­кую ось, называют меридиональной; в данном примере возьмем плоскость, в которой лежат центральный луч элементарного пучка и главная оптическая ось (на рис. 26.2, о — плоскость чертежа).

При наклонном падении элементарного пучка линза создаст два изображения точки А в виде отрезков прямой. Один из них лежит в меридиональной плоскости и отчетливо виден на экране II (рис. 26.2, о), другой — в перпендикулярной плоскости, которую называ-ют сагиттальной, он отчетливо виден на экране /. В промежутке между плоскостями I т II наблюдается пятно рассеяния, имеющее форму эллипса или окружности (рис. 26.2, б) Если предметом является отрезок линии, то качество изображения зависит от ори­ентации отрезка. Отрезки, расположенные в меридиональных плос­костях³, дают четкое изображение в плоскости //, а расположенные в сагиттальных плоскостях — в плоскости /.

Для демонстрации астигматизма косых пучков удобна сетка, представленная на рис. 26.3, а. Помещая ее как предмет перпен­дикулярно оптической оси, зададим систему отрезков, лежащих в меридиональных плоскостях (радиусы) и сагиттальных (окружное-

ти). На рис. 26.3, б, в показаны изображения этих отрезков, полу­ченные в соответствующих плоскостях.

Для исправления астигматизма создают сложные оптические системы, состоящие из нескольких линз, благодаря чему удается образовать хорошие изображения при углах падения лучей 50—70° •

Другой вид астигматизма обусловлен асимметрией оптической системы. Линзы с такой аберрацией называют астигматическими. Эти линзы, аналогично астигматизму косых пучков, создают изоб­ражение, в котором контуры и линии, ориентированные в разных направлениях, имеют разную резкость.

Наиболее наглядно астигматизм такого типа можно продемон­стрировать на цилиндрической линзе (рис. 26.4). Пучок лучей, па­раллельных главной оптической оси, преломляется линзой L толь­ко в плоскостях, перпендикулярных образующей цилиндра, поэто­му на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы, наблюдается прямая линия, а не точка, как при сферических лин­зах. Бели с помощью цилиндрической линзы отобразить на экране сетку из тонкой проволоки с квадратными ячейками (рис. 26.5, а), то наиболее четкое изображение получается в виде системы парал­лельных линий, направленных вдоль образующей цилиндра (рис. 26.5, б, в; изображения соответствуют двум взаимно перпендику­лярным положениям цилиндрической линзы).

а Дисторсия. Этот вид аберрации возникает вследствие того, что лучи, посылаемые предметом в систему, составляют большие углы с оптической осью, при этом зависимость линейного увеличения от угла пучка приводит к нарушению подобия изображения и пред­мета. Типичные проявления дисторсии показаны на рис. 26.6: а — подушкообразная; 6 — бочкообразная; предметом является сетка с квадратными ячейками.

Подбирая систему из нескольких линз с противоположным характером дисторсии, можно исправить эту аберрацию. а Хроматическая аберрация. Как видно из (26.2), фокусное рас­стояние линзы определяется показателем преломления, который зависит от длины волны. Поэтому пучок белого света, идущий

параллельно главной оптической оси, будет фокусироваться в раз­ных ее точках, разлагаясь в спектр (рис. 26.7; ф — фиолетовые лучи, к — красные), кружок на экране окажется окрашенным. В этом заключается хроматическая аберрация, которая очень часто сопутствует изображениям в линзах.

Для исправления этого вида аберрации создают ахроматические оптические системы из линз, которые изготовляют из стекол с разной дисперсией: ахроматы и апохроматы.

В оптических устройствах используют системы из линз, назы­ваемые анастигматами, в которых исправлены не только хромати­ческая аберрация, но и сферическая, и астигматизм.

Существуют и другие виды аберраций, которые здесь не рассматрива­ются.

Одновременное устранение всех аберраций может оказаться слишком сложной или даже неразрешимой задачей, поэтому обычно избавляются только от тех погрешностей, которые существенно мешают основному наз­начению оптической системы. Так, для объективов микроскопов важно устранение сферической аберрации, возникающей при рассматривании объектов, лежащих вблизи фокуса и отображаемых широкими пучками.

33. § 27.4 ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА ИСТОЧНИКИ

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЛЕЧЕБНЫХ

ЦЕЛЕЙ

Наиболее мощным источником теплового излучения, обусловлива­ющим жизнь на Земле, является Солнце.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м² площади греми ци земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину моднее ют солнечной постоянной.

В зависимости от высоты Солнца над горизонтом путь, проходи­мый солнечными лучами в атмосфере, изменяется в довольно боль ших пределах (рис. 27.3; граница атмосферы изображена условно) i максимальным различием в 30 раз. Даже при самых благоприятны: условиях на 1 м² поверхности Земли падает поток солнечно! радиации 1120 Вт. В июле в Москве при наивысшем стоянии Сол нца это значение достигает только 930 Вт/м². В остальное врем^ дня потери в атмосфере еще больше.

Ослабление радиации атмосферой сопровождается изменение* ее спектрального состава. На рис. 27.4 показан спектр солнечной излучения на границе земной атмосферы (кривая 1) и на поверх ности Земли (кривая 3) при наивысшем стоянии Солнца. Кривая . близка к спектру черного тела, ее максимум соответствует длин« волны 470 нм, что, по закону Вина, позволяет определить темпера туру поверхности Солнца — около 6100 К. Кривая S имеет несколь ко линий поглощения, ее максимум расположен около 555 нм Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актиномет ром.

Принцип действия его основан на использовании нагревание зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной ради ации.

В термоэлектрическом актинометре Савинова—Янишевскои (рис. 27.5) приемной частью радиации является тонкий, зачернен-

ный с наружной стороны серебряный диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреп­лены к медному кольцу (на рисунке не показа­но) внутри корпуса актинометра и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее (см. § 15.6), сила которого пропорциональна потоку радиа­ции.

Дозированную солнечную радиацию приме­ няют как солнцелечение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма.

Для лечебных целей используют искусственные источники тепло­вого излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные излучатели (инфраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры по­рядка 400-500° С.

§ 27.6. Инфракрасное излучение и его применение в медицине

Электромагнитное излучение, зажимающее спектральную область между красной границей видимого света (А = 0,76 мкм) к коротко­волновым радиоизлучением [А = (1—2) им], называют инфракрасным (ИК).

Инфракрасную область спектра условно разделяют нд близкую (0,76—2,5 мкм), среднюю (2,5—50 мкм) и далекую (50—2000 мкм).

Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный ин­фракрасный спектр. Если в законе Вина вместо А_тах подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 3800—1,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обыч­ных условиях практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимальное излучение в ИК-области спектра. Отклонение реальных тел от серых не изменяет существа вывода.

При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому далеко не все тела могут быть использованы в качестве источников ИК-излучения. В связи с этим наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высо­кого давления и лазеры, которые уже не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-области спектра.

Методы обнаружения и измерения ИК-излучения делят в основ­ном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток (см. § 15.6). К фотоэлектрическим

приемникам относят фотоэлементы, электронно-оптические преоб­разователи, фотосопротивления (см. § 27.8).

Обнаружить и зарегистрировать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покры­тием.

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротково­лновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы (см. § 27.4).

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим тем­пературным градиентом, что активизирует деятельность терморе-гулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

§ 27.7. Ультрафиолетовое излучение

И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

1

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (А — 400 нм) и длинно­волновой частью рентгеновского излучения (А = 10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

В области ниже 200 нм УФ-излучение сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому особого интереса для медицины не представляет. Остальную часть УФ-спектра условно делят на три области: А (400—315 нм), В (315—280 нм) и С (280—200 нм).

Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствии с законом Вина даже для наиболее длинной волны (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепло­вое излучение серых тел не может служить эффективным источни­ком мощного УФ-излучения. Наиболее мощным источником тепло­вого УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет ультрафиолетовое.

В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейчатый спектр.

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фотоэлек-

трическими приемниками: фотоэлементами, фотоумножителями (см. § 27.8). Индикаторами УФ-света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых мик­роскопов (см. § 26.8), люминесцентных микроскопов, для люминес­центного анализа (см. § 29.7). Главное применение УФ-излучения в медицине связано с его специфическим биологическим воздейст­вием, которое обусловлено фотохимическими процессами (см. § 29.9).

34. Излучение электромагнитных волн веществом происходит благодаря внутриатомным и внутримолекулярным процес­сам. Излучение нагретых тел, или тепловое излучение присуще всем телам.. Оно возникает при любых температурах выше 0К, поэтому испускается всеми тела­ми. В зависимости от температуры тела изменяются ин­тенсивность излучения и спектральный состав, поэтому да­леко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф [Вт].

Поток излучения, испускаемый 1 м² поверхности, называют энергетической светимостью R_e. Она выражается в Вт/м². Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длины волны. Выражение для энергетической светимости тела: где — спектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м³. Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела. Способность тела поглощать энергию излучения характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него: . Из этого следует, что коэффициенты поглощения могут принимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излучение тела черного цвета, плохо поглощают тела с белой поверхностью и зерка­ла.

Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех частот, наз-ют черным. Оно поглощает все падающее на него излучение. Черных тел в природе нет, это понятие — физическая абстракция. Моделью черного тела является маленькое отверстие в замк­нутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен.

Тело, коэффициент поглощения которою меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающею на него, называют серым. Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в опреде­ленном интервале длин волн излучают и поглощают как серые.

Количественная связь между излучением и поглощением была установлена Г.Кирхгофом: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных (закон Кирхгофа): _или

где ε_λ — спектральная плотность энергетической светимости черно­го тела (индексы у скобок означают тела 1, 2 и т.д.).

Спектральная плот­ность энергетической светимости любого тела меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре. Черное тело при прочих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения.