Некоторые законы физики трудно представить без использования наглядных пособий. Это не касается привычного всем света, попадающего на различные объекты. Так на границе, разделяющей две среды, происходит смена направления световых лучей в том случае, если эта граница намного превышает При света возникает, когда часть его энергии возвращается в первую среду. Если часть лучей проникает в другую среду, то происходит их преломление. В физике энергии, попадающий на границу двух различных сред, называется падающим, а тот, что от нее возвращается в первую среду, - отраженным. Именно взаимное расположение данных лучей определяет законы отражения и преломления света.

Термины

Угол между падающим лучом и перпендикулярной линией к границе раздела двух сред, восстановленной к точке падения потока световой энергии, называется Существует еще один важный показатель. Это угол отражения. Он возникает между отраженным лучом и перпендикулярной линией, восстановленной к точке его падения. Свет может распространяться прямолинейно исключительно в однородной среде. Разные среды по-разному поглощают и отражают излучение света. Коэффициентом отражения называют величину, характеризующую отражательную способность вещества. Он показывает, сколько принесенной световым излучением на поверхность среды энергии составит та, которая унесется от нее отраженным излучением. Данный коэффициент зависит от целого множества факторов, одними из самых важных являются угол падения и состав излучения. Полное отражение света происходит тогда, когда он падает на предметы или вещества с отражающей поверхностью. Так, например, это случается при попадании лучей на тонкую пленку серебра и жидкой ртути, нанесенных на стекло. Полное отражение света на практике встречается довольно часто.

Законы

Законы отражения и преломления света были сформулированы Евклидом еще в ІІІ в. до н. э. Все они были установлены экспериментально и легко подтверждаются чисто геометрическим принципом Гюйгенса. Согласно ему любая точка среды, до которой доходит возмущение, представляет собой источник вторичных волн.

Первый света: падающий и отражающий луч, а также перпендикулярная линия к границе раздела сред, восстановленная в точке падения светового луча, расположены в одной плоскости. На отражательную поверхность падает плоская волна, волновые поверхности которой являются полосками.

Другой закон гласит о том, что угол отражения света равен углу падения. Это происходит потому, что они имеют взаимно перпендикулярные стороны. Исходя из принципов равенства треугольников, следует, что угол падения равен углу отражения. Можно легко доказать, что они лежат в одной плоскости с перпендикулярной линией, восстановленной к границе раздела сред в точке падения луча. Эти важнейшие законы справедливы и для обратного хода света. Вследствие обратимости энергии луч, распространяющийся по пути отраженного, будет отражаться по пути падающего.

Свойства отражающих тел

Подавляющее большинство объектов только отражают падающее на них световое излучение. При этом они не являются источником света. Хорошо освещенные тела отлично видны с любых сторон, поскольку излучение от их поверхности отражается и рассеивается в разных направлениях. Это явление называются диффузным (рассеянным) отражением. Оно происходит при попадании света на любые шероховатые поверхности. Для определения пути отраженного от тела луча в точке его падения проводится плоскость, касающаяся поверхности. Затем по отношению к ней строят углы падения лучей и отражения.

Диффузное отражение

Только благодаря существованию рассеянного (диффузного) отражения световой энергии мы различаем предметы, не способные испускать свет. Любое тело будет абсолютно невидимым для нас, если рассеивание лучей будет равно нулю.

Диффузное отражение световой энергии не вызывает у человека неприятных ощущений в глазах. Это происходит от того, что не весь свет возвращается в первоначальную среду. Так от снега отражается около 85% излучения, от белой бумаги - 75%, ну а от велюра черного цвета - всего 0,5%. При отражении света от различных шероховатых поверхностей лучи направляются хаотично по отношению друг к другу. В зависимости от того, в какой степени поверхности отражают световые лучи, их называют матовыми или зеркальными. Но все-таки эти понятия являются относительными. Одни и те же поверхности могут быть зеркальными и матовыми при различной длине волны падающего света. Поверхность, которая равномерно рассеивает лучи в разные стороны, считается абсолютно матовой. Хотя в природе таких объектов практически нет, к ним очень близки неглазурованный фарфор, снег, чертежная бумага.

Зеркальное отражение

Зеркальное отражение лучей света отличается от других видов тем, что при падении пучков энергии на гладкую поверхность под определенным углом они отражаются в одном направлении. Это явление знакомо всем, кто когда-то пользовался зеркалом под лучами света. В этом случае оно является отражающей поверхностью. К этому разряду относятся и другие тела. К зеркальным (отражающим) поверхностям можно отнести все оптически гладкие объекты, если размеры неоднородностей и неровностей на них составляют меньше 1 мкм (не превышают величину длины волны света). Для всех таких поверхностей действительны законы отражения света.

Отражение света от разных зеркальных поверхностей

В технике нередко используются зеркала с изогнутой отражающей поверхностью (сферические зеркала). Такие объекты представляют собой тела, имеющие форму сферического сегмента. Параллельность лучей в случае отражения света от таких поверхностей сильно нарушается. При этом существует два вида таких зеркал:

Вогнутые - отражают свет от внутренней поверхности сегмента сферы, их называют собирающими, поскольку параллельные лучи света после отражения от них собираются в одной точке;

Выпуклые - отражают свет от наружной поверхности, при этом параллельные лучи рассеиваются в стороны, именно поэтому выпуклые зеркала называют рассеивающими.

Варианты отражения световых лучей

Луч, падающий практически параллельно поверхности, только немного касается ее, а далее отражается под сильно тупым углом. Затем он продолжает путь по очень низкой траектории, максимально расположенной к поверхности. Луч, падающий практически отвесно, отражается под острым углом. При этом направление уже отраженного луча будет близко к пути падающего луча, что полностью соответствует физическим законам.

Преломление света

Отражение тесно связано с иными явлениями геометрической оптики, такими как преломление и полное внутреннее отражение. Зачастую свет проходит через границу между двумя средами. Преломлением света называют изменение направления оптического излучения. Оно происходит при прохождении его из одной среды в другую. Преломление света имеет две закономерности:

Луч, прошедший через границу между средами, расположен в плоскости, которая проходит через перпендикуляр к поверхности и падающий луч;

Угол падения и преломления связаны.

Преломление всегда сопровождается отражением света. Сумма энергий отраженного и преломленного пучков лучей равна энергии падающего луча. Их относительная интенсивность зависит от в падающем пучке и угла падения. На законах преломления света основывается устройство многих оптических приборов.

При некотором угле падения света ${\alpha }_{pad}={\alpha }_{pred}$, который называют предельным углом , угол преломления равен $\frac{\pi }{2},\ $при этом преломленный луч скользит по поверхности раздела сред, следовательно, преломленный луч отсутствует. Тогда из закона преломления можно записать, что:

Рисунок 1.

В случае полного отражения уравнение:

не имеет решения в области действительных значений угла преломления (${\alpha }_{pr}$). В таком случае $cos{(\alpha }_{pr})$ чисто мнимая величина. Если обратиться к Формулам Френеля, то их удобно представить в виде:

где угол падения обозначен $\alpha $ (для краткости написания), $n$ -- показатель преломления среды, где свет распространяется.

Из формул Френеля видно, что модули $\left|E_{otr\bot }\right|=\left|E_{otr\bot }\right|$, $\left|E_{otr//}\right|=\left|E_{otr//}\right|$, что означает, что отражение является «полным».

Замечание 1

Надо отметить, что неоднородная волна во второй среде не исчезает. Так, если $\alpha ={\alpha }_0={arcsin \left(n\right),\ то\ }$ $E_{pr\bot }=2E_{pr\bot }.$ Нарушения закона сохранения энергии в данном случае нет. Так как формулы Френеля справедливы для монохроматического поля, то есть к установившемуся процессу. В таком случае закон сохранения энергии требует, чтобы среднее за период изменение энергии во второй среде было равно нулю. Волна и соответствующая доля энергии проникает через грани цу раздела во вторую среду на небольшую глубину порядка длины волны и движется в ней параллельно границе раздела с фазовой скоростью, которая меньше фазовой скорости волны во второй среде. Он возвращается в первую среду в точке, которая смещена относительно точки входа.

Проникновение волны во вторую среду можно наблюдать в эксперименте. Интенсивность световой волны во второй среде заметна только на расстояниях меньших длины волны. Около поверхности раздела, на которую падает волна света, которая испытывает полное отражение, на стороне второй среды можно видеть свечение тонкого слоя, если во второй среде есть флуоресцирующее вещество.

Полное отражение вызывает возникновение миражей, когда поверхность земли имеет высокую температуру. Так, полное отражение света, которое идет от облаков приводит к появлению впечатления, что на поверхности нагретого асфальта находятся лужи.

При обычном отражении отношения $\frac{E_{otr\bot }}{E_{pad\bot }}$ и $\frac{E_{otr//}}{E_{pad//}}$ всегда вещественны. При полном отражении они комплексны. Это значит, что в таком случае фаза волны терпит скачок, при этом он отличен от нуля или $\pi $. Если волна поляризована перпендикулярно плоскости падения, то можно записать:

где ${\delta }_{\bot }$ - искомый скачок фазы. Приравняем вещественные и мнимые части, имеем:

Из выражений (5) получаем:

Соответственно, для волны, которая поляризована в плоскости падения можно получить:

Скачки фаз ${\delta }_{//}$ и ${\delta }_{\bot }$ не одинаковы. Отраженная волна будет поляризована эллиптически.

Применение полного отражения

Допустим, что две одинаковые среды разделены тонким воздушным промежутком. На него падает световая волна под углом, который больше, чем предельный. Может сложиться так, что она проникнет в воздушный промежуток как неоднородная волна. Если толщина зазора мала, то данная волна достигнет второй границы вещества и при этом будет не очень ослабленной. Перейдя из воздушного промежутка в вещество, волна превратится снова в однородную. Такой опыт был проведен еще Ньютоном. Ученый прижимал к гипотенузной грани прямоугольной призмы другую призму, которая со шлифована сферически. При этом свет проходил во вторую призму не только там, где они соприкасаются, но и в небольшом кольце вокруг контакта, в месте, где толщина зазора сравнима с длинной волны. Если наблюдения проводились в белом свете, то край кольца имел красноватую окраску. Так и должно быть, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (для красных лучей она больше, чем для синих). Изменяя толщину промежутка, можно изменять интенсивность проходящего света. Это явление легло в основу светового телефона, который был запатентован фирмой Цейсс. В этом устройстве в качестве одной из сред выступает прозрачная мембрана, которая совершает колебания под действием звука, падающего на нее. Свет, который проходит сквозь воздушный промежуток, изменяет интенсивность в такт с изменениями силы звука. Попадая на фотоэлемент, он порождает переменный ток, который меняется в соответствии с изменениями силы звука. Полученный ток усиливается и используется далее.

Явления проникновения волн сквозь тонкие промежутки не специфичны для оптики. Это возможно для волны любой природы, если фазовая скорость в промежутке выше, чем фазовая скорость в окружающей среде. Важное значение данное явление имеет в ядерной и атомной физике.

Явление полного внутреннего отражения используют для изменения направления распространения света. С этой целью используют призмы.

Пример 1

Задание: Приведите пример явления полного отражения, которое часто встречается.

Решение:

Можно привести такой пример. Если шоссейная дорога сильно нагрета, то температура воздуха максимальна около поверхности асфальта и убывает при увеличении расстояния от дороги. Значит, показатель преломления воздуха минимален у поверхности и растет при увеличении расстояния. Как результат этого, лучи, имеющие небольшой угол относительно поверхности шоссе терпят полное отражение. Если сконцентрировать свое внимание, при движении в автомобиле, на подходящем участке поверхности шоссе, то можно увидеть довольно далеко едущую впереди машину в перевернутом виде.

Пример 2

Задание: Каков угол Брюстера для пучка света, который падает на поверхность кристалла, если предельный угол полного отражения для данного пучка на границе раздела воздух -- кристалл равен 400?

Решение:

\[{tg(\alpha }_b)=\frac{n}{n_v}=n\left(2.2\right).\]

Из выражения (2.1) имеем:

Подставим правую часть выражения (2.3) в формулу (2.2), выразим искомый угол:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left({\alpha }_{pred}\right)\ }}\right).\]

Проведем вычисления:

\[{\alpha }_b=arctg\left(\frac{1}{{sin \left(40{}^\circ \right)\ }}\right)\approx 57{}^\circ .\]

Ответ: ${\alpha }_b=57{}^\circ .$

Закон преломления, который часто используют в оптике, говорит о том, что:

\[\frac{{\sin \alpha \ }}{{\sin \gamma \ }}=n_{21}\to \frac{{\sin \alpha \ }}{n_{21}}={\sin \gamma \ }\left(1\right),\]

$\alpha $ - угол падения; $\gamma $ - угол преломления; $=\frac{n_2}{n_1}$ - относительный показатель преломления. Из уравнения (1) очевидно, что если $n_{21} 1\ },$ что не имеет смысла. Подобный случай имеет место для всех значений угла падения ($\alpha $), которые удовлетворяют условию ${\sin \alpha \ }>n_{21}$, что возможно при $n_{21}

Использование явления полного отражения

Угол падения ($\alpha $), при котором выполняется условие:

\[{sin {\alpha }_{kr}\ }=n_{21}(2)\]

называют критическим или предельным углом. При выполнении условия (2) преломленной волны мы наблюдать не можем, вся световая волна отражается обратно в первое вещество. Такое явление называется явлением полного внутреннего отражения.

Рассмотрим два одинаковых вещества, которые разделяет тонкий слой воздуха. На этот слой падает луч света под углом, большим критического. Световая волна, попадающая в воздушный зазор, может быть неоднородной. Допустим, что толщина промежутка воздуха мала, при этом световая волна падает на вторую границу вещества не сильно ослабленной. Распространившись из воздушного промежутка в вещество, волна снова станет однородной. Данный эксперимент был выполнен Ньютоном. Он длинную плоскую грань прямоугольной призмы прикладывал к телу со сферической гранью. Свет попадал во вторую призму не только в месте соприкосновения тел, но и в небольшом кольцевом пространстве около места контакта, там, где толщина воздушного промежутка имеет порядок равный длине волны. При проведении опытов с белым светом край кольца приобретал красноватую окраску, так как глубина проникновения пропорциональна длине волны (а для красных лучей она больше, чем для синих). При изменении толщины воздушного зазора, изменится интенсивность проходящего света. Данное явление стало основой светового телефона, который запатентовала фирмой Цейсс. В разработанном приборе одной средой становилась прозрачная мембрана, совершающая колебания при воздействии на нее звуком, попадающим на нее. Свет, распространяющийся через воздушный зазор, меняет свою интенсивность в такт с изменениями силы звука. Благодаря попаданию света на фотоэлемент, возникает переменный ток, в свою очередь зависящий от изменений силы звука. Возникающий ток подвергается усилению и используется далее.

Применение явления полного внутреннего отражения

На явлении полного внутреннего отражения основывается устройство прибора, с помощью которого можно определять показатель преломления вещества - рефрактометр Аббе- Пульриха. Полное внутренне отражение происходит на границе между стеклом, показатель преломления которого довольно большой, и он известен, и тонким слоем жидкости, которую наносят на поверхность стекла. Рефрактометр состоит из стеклянной призмы АА (между стеклами призмы помещают исследуемую жидкость), светофильтра (F), рычага, который поворачивается около трубы T, шкалы в виде дуги (D), на которую нанесены значения показателей преломления (рис.1). Пучок света S проходит через светофильтр и испытывает полное внутреннее отражение на границе капля - призма. Погрешность данного рефрактометра не более 0,1\%.

На основе явления полного внутреннего отражения основывается волоконная оптика, в которой формируются изображения при распространении света по световодам. Световоды представляют собой совокупности гибких волокон из прозрачных веществ, например, из расплавов кварцевого песка, покрытых оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньшим, чем у стекла. В результате многократного отражения световая волна в световоде направляется по необходимому пути. Комплексы оптических волоком можно применять для исследования внутренних органов или передачи информации с помощью компьютеров.

Перископ (прибор для наблюдения из укрытия) основывается на явлении полного отражения. В перископах для изменения направления распространения света используют зеркала или системы линз.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Объясните, почему происходит сверкание («игра») драгоценных камней при их ювелирной обработке?

Решение. При ювелирной огранке камня способ его обработки подбирают таким образом, чтобы на каждой его грани возникало полное отражение света. Так, например, рис.2

Пример 2

Задание. Каким будет предельный угол полного внутреннего отражения для каменной соли, если показатель ее преломления составляет $n=1,54$?

Решение. Изобразим ход лучей при попадании света из воздуха на кристалл соли на рис.3.

Запишем закон полного внутреннего отражения:

\[{sin {\alpha }_{kr}\ }=n_{21}\left(2.1\right),\]

где $n_{21}=\frac{n_1}{n}\ $($n_1=1$ показатель преломления воздуха), тогда:

\[{\alpha }_{kr}={\arcsin (\frac{n_1}{n})\ }.\]

Поведём вычисления:

\[{\alpha }_{kr}={\arcsin \left(\frac{1}{1,54}\right)\approx 40,5{}^\circ \ }.\]

Ответ. ${\alpha }_{kr}=40,5{}^\circ $

используется в так называемой волоконной оптике. Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривают передачу светового излучения по волоконно-оптическим световодам. Волоконно-оптические световоды представляют собой систему отдельных прозрачных волокон, собранных в пучки (жгуты). Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль волокна (см. рис. 5.3).

1) В медицине и ветеринарной диагностике световоды используются главным образом для освещения внутренних полостей и передачи изображения.

Одним из примеров использования волоконной оптики в медицине является эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей (желудок, прямая кишка и др.). Одной из разновидностей таких приборов является волоконный гастроскоп . С его помощью можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки с целью диагностики.

2) С помощью световодов также осуществляется передача лазерного излучения во внутренние органы с целью лечебного воздействия на опухоли.

3) Волоконная оптика нашла широкое применение и в технике. В связи с быстрым развитием информационных систем в последние годы возникла необходимость в качественной и быстрой передачи информации по каналам связи. С этой целью используется передача сигналов по лазерному лучу, распространяющемуся по волоконно-оптическим световодам.

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при определенных условиях при наложении двух или нескольких световых пучков. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА - сложение в пространстве двух или нескольких когерентных световых волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Когерентность.

Когерентностью называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, т.е. волн с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз.

Монохроматические волны (волны одной длины волны) - являются когерентными.

Так как реальные источники не дают строго монохроматического света, то волны, излучаемые любыми независимыми источниками света всегда некогерентны . В источнике свет излучается атомами, каждый из которых испускает свет лишь в течение времени ≈ 10 -8 с. Только в течение этого времени волны, испускаемые атомом имеют постоянные амплитуду и фазу колебаний. Но получить когерентные волны можно, разделив луч света, излучаемым одним источником, на 2 световые волны и после прохождения различных путей снова их соединить. Тогда разность фаз будет определяться разностью хода волн: при постоянной разности ходаразность фаз тоже будет постоянной .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МАКСИМУМА :

Если оптическая разность хода ∆ в вакууме равначетному числу полуволн или (целому числу длин волн)

(4.5)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в одинаковой фазе .

УСЛОВИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО МИНИМУМА.

Если оптическая разность хода ∆ равна нечетному числу полуволн

(4.6)

то и колебания, возбуждаемые в точке M , будут происходить в противофазе .

Типичным и распространенным примером интерференции света – мыльная пленка

Применение интерференции – просветление оптики: Часть света при прохождении через линзы отражается (до 50% в сложных оптических системах). Сущность метода просветления – поверхности оптических систем покрывают тонкими пленками, создающие интерференционные явления. Толщина пленки d=l/4 падающего света, тогда отраженный свет имеет разность хода , что соответствует минимуму интерференции

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от прямолинейного .

Возможность наблюдения дифракции зависит от соотношения длины волны света и размера препятствий (неоднородностей)

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.

Одномерная дифракционная решетка - система параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Суммарная дифракционная картина есть результат взаимной интерференции волн, идущих от всех щелей - в дифракционной решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных дифрагированных пучков света, идущих от всех щелей.

Если a - ширина каждой щели(MN) ; b - ширина непрозрачных участков между щелями (NC) , то величина d = a+ b называется постоянной (периодом) дифракционной решетки .

где N 0 - число щелей, приходящееся на единицу длины.

Разности хода ∆ лучей (1-2) и (3-4) равна СF

1. . УСЛОВИЕ МИНИМУМОВ Если разность хода CF = (2n+1)l/2 – равна нечетному числу длин полуволн, то колебания лучей 1-2 и 3-4 будут проходить в противофазе, и они взаимно погасятся освещенности :

n = 1,2,3,4… (4.8)

7. Ультразвук. Получение и регистрация ультразвука на основе обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта.

8. Взаимодействие ультразвука различной частоты и интенсивности с веществом. Применение ультразвука в медицине.

Электромагнитные колебания и волны.

4.Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине

5.Биологическое действие электромагнитного излучения на организм. Электротравматизм.

6.Диатермия. Увч-терапия. Индуктотермия. Микроволновая терапия.

7.Глубина проникновения неионизирующих электромагнитных излучений в биологическую среду. Ее зависимость от частоты. Методы защиты от электромагнитных излучений.

Медицинская оптика

1. Физическая природа света. Волновые свойства света. Длина световой волны. Физические и психофизические характеристики света.

2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.

5. Разрешающая способность и предел разрешения микроскопа. Пути повышения разрешающей способности.

6. Специальные методы микроскопии. Иммерсионный микроскоп. Микроскоп темного поля. Поляризационный микроскоп.

Квантовая физика.

2. Линейчатый спектр излучения атомов. Его объяснение в теории н.Бора.

3. Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, ее экспериментальное обоснование.

4. Электронный микроскоп: принцип действия; разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях.

5. Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров.

6. Люминесценция, ее виды. Фотолюминесценция. Закон Стокса. Хемилюминесценция.

7. Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.

8. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотодиод. Фотоэлектронный умножитель.

9. Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения.

10. Когерентное излучение. Принципы получения и восстановления голографических изображений.

11. Принцип работы гелий-неонового лазера. Инверсная населенность энергетических уровней. Возникновение и развитие фотонных лавин.

12. Применение лазеров в медицине.

13. Электронный парамагнитный резонанс. Эпр в медицине.

14. Ядерный магнитный резонанс. Использование ямр в медицине.

Ионизирующие излучения

1. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.

3. Применение рентгеновского излучения в диагностике. Рентгеноскопия. Рентгенография. Флюорография. Компьютерная томография.

4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотопоглощение, когерентное рассеяние, комптоновское рассеяние, образование пар. Вероятности этих процессов.

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

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

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

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

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

Биомеханика.

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

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

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

4. Изотонический режим работы мышц. Статическая работа мышц.

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

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

7. Законы движения жидкости. Уравнение неразрывности; его связь с особенностями системы капилляров. Уравнение Бернулли; его связь с кровоснабжением мозга и нижних конечностей.

8. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Число Рейнольдса. Измерение артериального давления по методу Короткова.

9. Уравнение Ньютона. Коэффициент вязкости. Кровь как неньютоновская жидкость. Вязкость крови в норме и при патологиях.

Биофизика цитомембран и электрогенеза

1. Явление диффузии. Уравнение Фика.

2. Строение и модели клеточных мембран

3. Физические свойства биологических мембран

4. Концентрационный элемент и уравнение Нернста.

5. Ионный состав цитоплазмы и межклеточной жидкости. Проницаемость клеточной мембраны для различных ионов. Разность потенциалов на мембране клетки.

6. Потенциал покоя клетки. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца

7. Возбудимость клеток и тканей. Методы возбуждения. Закон «все или ничего».

8. Потенциал действия: графический вид и характеристики, механизмы возникновения и развития.

9. Потенциал-зависимые ионные каналы: строение, свойства, функционирование

10. Механизм и скорость распространения потенциала действия по безмякотному нервному волокну.

11. Механизм и скорость распространения потенциала действия по миелинизированному нервному волокну.

Биофизика рецепции.

1. Классификация рецепторов.

2. Строение рецепторов.

3. Общие механизмы рецепции. Рецепторные потенциалы.

4. Кодирование информации в органах чувств.

5. Особенности светового и звукового восприятия. Закон Вебера-Фехнера.

6. Основные характеристики слухового анализатора. Механизмы слуховой рецепции.

7. Основные характеристики зрительного анализатора. Механизмы зрительной рецепции.

Биофизические аспекты экологии.

1. Геомагнитное поле. Природа, биотропные характеристики, роль в жизнедеятельности биосистем.

2. Физические факторы, имеющие экологическую значимость. Уровни естественного фона.

Элементы теории вероятности и математической статистики.

Свойства выборочного среднего

2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.

Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света - 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет - это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.

Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам.

Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (α=β). Падающий луч АО, отраженный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляромCD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .

Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты). Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха;n возд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломленияn ст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света.

Отсюда следует, что , то есть синус угла преломленияgменьше, чем синус угла падения a, в 1,5 раза. А еслиsing

Если же световой луч пустить из оптически более плотного стекла в оптически менее плотный воздух, то угол преломления окажется, наоборот, больше угла падения, g > a. Для обсуждаемого обратного хода луча закон преломления:

следовательно, sing = 1,5sina; g >a

Эта ситуация иллюстрируется схемой А на рисунке

Если угол падения a увеличить до некоторого предельного значения a пр, то угол преломления g >aдостигает наибольшего значения g=90 0 . Преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. При углах паденияa>a пр явление преломления не происходит, а вместо частичного отражения на границе раздела фаз происходитполное отражение света внутрь оптически более плотной среды, илиполное внутреннее отражение . Это оптическое явление составляет основу целого физико-технического направления, которое называетсяволоконная оптика.

В медицине волоконная оптика нашла применение в эндоскопах - устройствах для осмотра внутренних полостей (например, желудка). Световод, представляющий собой жгут из большого числа тонких стеклянных волокон, помещенных в общую защитную оболочку, вводится в исследуемую полость. Часть волокон используется для организации освещения полости от источника света, расположенного вне тела пациента. Световод может использоваться и для передачи во внутреннюю полость лазерного излучения в лечебных целях.

Полное внутреннее отражение происходит и в некоторых структурах сетчатки глаза.

3. Оптическая система глаза. Недостатки зрения, методы их коррекции .

Оптическая система глаза обеспечивает получение на сетчатке глаза уменьшенного действительного обратного (перевернутого) изображения. Если светопреломляющую систему глаза рассматривать как одну линзу, то общая оптическая сила этой системы получается как алгебраическая сумма следующих четырёх слагаемых:

а) Роговица: D = +42,5 дптр

б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр

в) Хрусталик: D  const; от +19 до +33 дптр

г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр.

Благодаря тому, что оптическая сила хрусталика - величина переменная, суммарная оптическая сила глаза лежит в пределах от 49 до 73 дптр.

Редуцированный глаз, как единая линза, обращён одной стороной - к воздуху, (абсолютный показатель преломления nвозд = 1), а другой - соприкасается с жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый фокусные расстояния не одинаковы; если переднее фокусное расстояние в среднем F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический центр системы - в глубине глаза на расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности роговицы.

Основной преломляющий элемент этой системы – роговица - имеет не сферическую, а более сложную форму преломляющих поверхностей, и это - хороший удар по сферической аберрации.

Хрусталик меняет свою оптическую силу при сокращении или расслаблении цириальных мышц; этим достигается аккомодация глаза - его приспособление к фокусировке изображения на сетчатке как при рассматривании удалённых, так и близких предметов. Необходимое напряжение этих мышц даёт информацию о расстоянии до рассматриваемого предмета, даже если мы рассматриваем его одним глазом. Общее количество света, поступающее в глаз, регулируется радужной оболочкой. Она может быть разной по цвету, и потому люди бывают голубоглазые, кареглазые и т.п. Она управляется парой мышц. Имеется мышца, сужающая зрачки (циркулярная мышца), имеется мышца, его расширяющая (радиальная мышца).

Рассмотрим далее особенности строения сетчатки. Её назначение - преобразовать оптическое изображение, полученное на её поверхности, в потоки электрических нервных импульсов, поступающих в мозг. Эти преобразования осуществляются клетками-фоторецепторами двух типов, получивших, в связи с особенностями своей формы, название колбочек и палочек.

Колбочки-фоторецепторы дневного зрения. Обеспечивают цветовое зрение. Палочки - рецепторы сумеречного зрения. Каждый глаз человека содержит примерно 125*106 палочек и 5*106 колбочек, итого 130*106 фоторецепторов. Колбочки и палочки распределены по сетчатке очень неравномерно: на периферии размещены только палочки, чем ближе к области жёлтого пятна, тем больше встречается колбочек; в жёлтом пятне размещены только колбочки и их плотность (количество на единицу площади) очень велика, так что здесь эти клетки даже «изготавливаются» в малогабаритном варианте - они более мелкие, чем в других областях сетчатки.

Область жёлтого пятна сетчатки - это область наилучшего зрения. Здесь мы фокусируем изображение предмета, если хотим разглядеть этот предмет особо тщательно.

Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом пятне определяет остроту нашего зрения. Плотность эта, в среднем, такова, что на отрезке длиной 5 мкм умещаются три колбочки. Для того, чтобы глаз различал две точки предмета, необходимо, чтобы между двумя засвеченными колбочками непременно находилась одна не засвеченная.

Рефракция (преломление) света в глазе является нормальной, если изображение предмета, даваемое оптической системой глаза, ложится на наружные сегменты фоторецепторов, и при этом мышцы, управляющие кривизной хрусталика, расслаблены. Такая (нормальная) рефракция называетсяэмметропией.

Отклонение от эмметропии – аметропия – встречается в двух разновидностях.Миопия (близорукость) – изображение фокусируется не на сетчатке, а перед ней, то есть преломление света в глазе происходит «слишком хорошо». Эта избыточность устранима рассеивающими очковыми линзами (оптическая сила отрицательная).

Гиперметропия (дальнозоркость) – разновидность аметропии, при которой изображение формируется за сетчаткой. Чтобы вернуть изображение на сетчатку, надо «помочь» глазу собирающей очковой линзой (оптическая сила положительная). Говоря иначе, если оптическая сила глаза недостаточна, её можно увеличить дополнительным слагаемым - оптической силой собирающей очковой линзы.

Появление контактных линз вместо классических очков поначалу воспринималось чуть ли не как революция.

При обсуждении возможностей контактной линзы необходимо принять во внимание, что относительный показатель преломления на первой (по ходу луча) поверхности контактной линзы фактически равен абсолютному показателю преломления материала линзы, а на второй поверхности он равен отношению абсолютных показателей преломления роговицы и линзы.

При внедрении любого изобретения рано или поздно обнаруживаются как достоинства, так и недостатки. Классические очки и контактные линзы, в их нынешнем виде, можно сопоставить следующим образом:

Классические очки легко одевать и снимать, но не удобно носить;

Контактные линзы удобно носить, но не удобно надевать и снимать.

Лазерная коррекция зрения – это микрооперация на наружной поверхности роговицы. Напомним, что роговица - основной светопреломляющий элемент оптической системы глаза. Коррекция зрения достигается изменением кривизны наружной поверхности роговицы. Например, если сделать поверхность более плоской, (т.е. увеличить радиус кривизны R), то согласно формуле (4) оптическая силаDэтой поверхности уменьшится.

Серьёзные проблемы со зрением возникают при отслоении сетчатки. В этих случаях нашёл применение метод закрепления сетчатки на предусмотренном природой месте с помощью фокусированного лазерного луча. Этот способ закрепления подобен точечной сварке металлов в технике. Сфокусированный луч создаёт малую зону повышенной температуры, в которой происходит «сварка» биологических тканей (в прямом и переносном смысле).

Ретиналь - одна из двух основных компонент родопсина – это альдегид витамина А. С учётом того, что наружные сегменты фоторецепторов постоянно обновляются, полноценное обеспечение организма витамином А отвечает интересам поддержания зрительной системы в хорошем состоянии.

4 . Оптический микроскоп. Ход лучей в микроскопе. Полезное увеличение микроскопа.

Микроско́п - прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.

Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией., В микроскопе различают механическую и оптическую части. Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.

Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.

К механической части относится штатив, состоящий из основания и тубусодержателя. Основание служит опорой микроскопа и несет всю конструкцию штатива. В основании микроскопа находится также гнездо для зеркала или встроенный осветитель.

предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтальногоих перемещения;

узел для крепления и вертикального светофильтров.

Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза Максимальное полезное увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по формуле

где d1 – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.

"