Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами (2006) (1095846), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В случае оптически неоднородной среды в результате наложения первичной и вторичной волн возникает рассеяние света. При падении света на границу раздела двух сред в результате интерференции возникает не только проходящая, но и отраженная волна. Длина волны 100 нм (вакуумное УФ-излучение) соответствует энергии фотона 12,4 эВ, верхняя граница видимого диапазона— 1,63 эВ. В этот интервал укладываются значения энергии связи большинства сложных органических молекул, поэтому с точки зрения возможностей химических превращений 1как обратимых, так и необратимых) эта область длин волн является идеальной. Область ниже 100 нм (энергия больше 12,4 эВ) представляет собой ионизируюшее излучение, т.
е, излучение, энергия кванта которого достаточна для разрушения молекул и образования заряженных частиц. При действии вакуумного УФ-излучения может происходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот; появляются циклобутановые димеры оснований ДИК, в белках происходит диструкция полипептидной цепи, образование сшивок, разрушение тирозина и триптофана; разрушаются ковалентные связи в молекулах (например, между С и О). Рентгеновское излучение (РИ) возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества, при этом кван- 31 товые переходы происходят между внутренними электронными состояниями атома.
Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное (с квазисплошным спектром) и характеристическое (с линейчатым спектром). Диапазон длин волн Х = 0,1...10 нм. Гамма-излучение (у-излучение) — это жесткое электромагнитное излучение с длиной волны ) <0,1 нм. Оно испускается при переходе ядер из возбужденных энергетических состоянии в состояние с меньшей энергией, а также при ядерных реакциях. у -излучение обычно сопровождает процессы радиоактивного (а- и 1)-) распада. Природным источником РИ и у-лучей на Земле являются Солнце, межзвездные и галактические события. При у- и рентгеновском облучении происходит разрушение полипептидной цепи белков, образование сшивок, разрушение серо- содержащих групп.
При действии ионизирующего излучения на ДНК происходят двойные разрывы цепей ДНК. В4. ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Лазерное излучение возникает в результате индуцированных переходов между уровнями энергии частиц среды, обладающей инверсной населенностью этих уровней (т. е, при ббльшей концентрации частиц на верхнем уровне энергии по сравнению с нижним). Излучение, создаваемое обычными источниками света (тепловыми, люминесцентными и т.
п.), отличается от лазерного тем, что основной вклад в излучение дают спонтанные переходы с возбужденного уровня, тогда как в лазере преобладает индуцированное излучение. Этим объясняются уникальные особенности лазерного излучения по сравнению с излучением традиционных источников. Именно лазерные источники обладают высокой степенью когерентности (индуцированное излучение представляет собой поток идентичных фотонов). Это означает, что лазерное излучение характеризуется исключительно высокой степенью монохроматичности (временной когерентности), позволяюшей реализовывать 12 6 значения спектральной плотности до 1О Вт/Гц, что в 10 раз превышает значение аналогичной величины при термоядерном взрыве. Возможность получения высоких уровней мощности ла- 12 зерного излучения (до 10 Вт) и сосредоточения значительной а энергии в импульсе (до 10 Дж) позволяет вызвать многофотонные и другие нелинейные процессы в биосреде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический удар и т.
д, Однако интерес представляют не только уникальные возможности разрушения среды. Высокая монохроматичность позволяет: проводить спектральный анализ с разрешением на много порядков выше, чем разрешение обычных спектрометров; осуществлять возбуждение определенных молекул в смеси; применять голографические и интерференционные методы когерентной диагностики биообъектов. В свою очередь высокая пространственная когерентность дает возможность добиться уникальной пространственной сосредоточенности излучения в малых телесных углах и тем самым обеспечить высокую направленность, благодаря которой уже в первые годы после создания лазеров была проведена локация Луны с измерением деталей профиля лунной поверхности, не различимых никакими другими способами локации.
Для большинства лазеров расходимость лазерного пучка (угол 9) составляет несколько тысячных радиана (рис. Вб), что позволяет получить размер пятна в фокусе порядка длины волны Х излучения с глубиной резкости порядка Х. Поэтому лазер можно использовать в качестве источника света для микроскопии. В некоторых случаях можно сосредоточить энергию в слое до 0,01 мкм и за счет этого проводить «внутриклеточную хирургию». Малая расходнмость лазерного пучка необходима также для обеспечения локальности исследований и эффективной транспортировки излучения по гибким свето- водам, чего традиционные (некогерентные) источники обеспечить не могут.
Активный элемент Лазерный пучок Зеркала Рис. Вб. Схема лазера Кроме того, возможность управления фазовыми соотношениями в лазерном излучении позволяет создавать сверхкороткие нм- 33 32 2 — 2062 пульсы длительностью до отдельных периодов световой волны (-1О !4 с). Это особенно важно для биомедицины, поскольку дает возможность изучать очень быстрые первичные фотопроцессы прямыми, а не косвенными методами, а также многоступенчато возбуждать высокие энергетические состояния молекул за время, значительно меньшее, чем время релаксации любого промежуточного состояния. Наличие перестраиваемых лазеров во всей области от УФ- излучения до ИК-излучения позволяет селективно возбуждать практически любые состояния биомолекул и отдельных их фрагментов.
В5. ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Звуковые волны являются механическими колебаниями, распространяющимися в среде. Волновое уравнение, описывающее процесс распространения возбуждения в среде со скоростью с, имеет вид д25/дх2+ д25/ду + д~5/дз~ = (1/сс) д 5/да . Одно из его решений можно записать как 5 =5,я,„соз(оз(г — г/с)) =5, соз(вз/ — /г~), где Оз = 2лч — циклическая частота колебаний вектора 5, У вЂ” частота этих колебаний; с — скорость звука; /г — волновой вектор, модуль которого й = 2л/Х, ).
= с/т — длина волны. Частота звука, воспринимаемого человеческим ухом, лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц. Инфразвуком называют волны с частотами меньше 20 Гц. Ультразвуком (УЗ) называют волны с час- 10 тотами более 20 кГц (ло 10 Гц), Принято различать следующие звуки: ° тоны, нли музыкальные звуки. Они делятся на простые (чистые) — гармонический процесс, и сложные — полигармонический процесс, Сложный тон может быть разложен на основной тон с частотой ~О и гармоники (обертоны) с частотами 2чо, зло и т. д. 1лииеичатый акустический спектр); ' '"ум — звук, отличающийся сложной негармонической вре- 34 менной зависимостью. Если среднюю интенсивность звука при шумовом воздействии можно считать постоянной, то такой шум называется стационарным. В противном случае шум называют не- стационарным.
Всякий шум имеет сложный частотный спектр (как правило, достаточно широкий и квазисплошной); я звуковой удар — кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т. д). Средняя энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через единицу плошади, называется интенсивностью волн: 1 =< 5> с; [11 = Вт/м, где 5 — объемная плотность энергии звуковой волны; с — скорость звука, (1/2)р52 О52 Тогда, если р — плотность среды, в которой распространяется звук, то 1 = (1/2)Р5л,ахез с. (В2) При прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде возникает дополнительное давление. Оно связано с интенсивностью волны следующей зависимостью; 1 = р /(2рс) .
Диапазон интенсивностей звука, воспринимаемых нормальным человеческим ухом, составляет 13 порядков. Так, для частоты ! кГц воспринимается звук от /О =10 Вт/м (р,„= 2 10 Па) !2 2 5 2 (порог слышимости) до 1,„,„= 1О Вт/м (р,„= 60 Па ) (порог болевого ощущения). Для оценки уровня интенсивности или давления звука используется относительная логарифмическая шкала (уровень измеряют в белах или децибелах): ~Б 1в(1//О) 1'Б 2!в(Р/РО) или ьлБ = 10 10(1/10)' 1лБ = 20!И(Р/РО). ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С БИООБЪЕКТАМИ.
ПОНЯТИЕ О РАДИОБИОЛОГИИ Первая глава посвящена взаииодействию ионизирующих излучений (ИИ) с биообьектами. В ней дана классификация ИИ, сформулированы основы дозиметрии, особое внимание уделено физическим, физико- химическим механизмам воздействия ИИ на биообьекты и биологическому действию е1И, также рассмотрена реакция биообьектов на воздействие ИИ.
На основании изложенного сформулированы принципы радиобиологии. 1.1. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО ИСТОЧНИКИ Излучение делится на два класса: ионизируюшее и неионизнруюшее. Ионизируюшим называется излучение, которое способно вырывать электроны из нейтральных молекул и тем самым превращать последние в ионы. В случае, когда излучение в квантовом представлении состоит из частиц с нулевой массой покоя (наиболее характерный пример — фотоны высоких энергий), говорят о потоке рентгеновских или у-квантов, либо о синхротронном излучении (первый тип ИИ). Если же масса покоя не равна нулю, то излучение представляют как поток заряженных или нейтральных частиц (подчеркивая его корпускулярный характер) (второй тип ИИ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
