Лекція №4.

Згідно квантової теорії атоми можуть знаходитись лише в певних енергетичних або стаціонарних станах, кожному з яких відповідає певна енергія. При переході атома з одного з одного енергетичного стану до іншого поглинається або випромінюється порція енергії (квант), яка дорівнює різниці енергії цих стаціонарних станів.

В залежності від того, яка енергія іде на збудження атома, випромінювання його в оптичному діапазоні ділиться на теплове (в світлову перетворюється енергія теплового руху молекул) та люмінесцентне (енергії інших видів крім теплової).

Поглинувши квант енергії, атом переходить на більш високий енергетичний рівень, де може знаходитись короткий час , потім повертається в основний стан, при цьому енергія може бути виділена без або з випромінюванням фотона.

Якщо перехід відбувся з випромінюванням фотона, то розрізняють:

1) Спонтанне випромінювання

2) Вимушене, або індуковане, яке виникає при взаємодії зі збудженим атомом пролітаючого біля нього фотона, частота якого дорівнює частоті зворотного переходу.

При спонтанному випромінюванні фотонів утворюються спектри, які залежать не тільки від будови атомів, але і від їх оточення.

Спектри є джерелом інформації про речовину, спектральний аналіз широко застосовується в медицині (в судмедекспертизі, оксигемометр – прилад для визначення вмісту кисню у крові: гемоглобін, насичений киснем має три смуги поглинання у жовтій, зеленій і синьофіолетовій області, а позбавлений кисню – дві: у жовтій і синьофіолетовій частинах спектру; встановлюється вміст вітамінів у продуктах, наявність мікроелементів в організмі тощо).

Лазери

В оптичному діапазоні створені в 1960 р. Щоб отримати лазерне випромінювання, треба створити перенаселену, тобто інакше інверсну залежність деякого енергетичного рівня. Індукованим (вимушеним)випромінюванням називають випромінювання збуджених атомів під впливом світла (фотонів).

Принцип отримання інверсної заселеності такий: застосовуються метод трьох рівнів, підбирається така активна речовина, в атомах якої є рівні з великим часом «життя». Приклад: рубіновий лазер. Рубін – це кристал оксиду алюмінію Al₂O₃ з домішками атома хрому, які і є активною речовиною.

3

2

1

Навколо рубінового стрижня у вигляді спіралі розміщена лампа накачування. При спалаху лампи атоми хрому переходять в стан 3 (λ=0,56٠10 ^-6 м), з коротким часом життя 10^-8 с, а потім без випромінювання переходить в стан 2. (t= 10^-3 с), де накопичуються (>50). Перший же фотон спонтанного переходу 2→1 викликає індуковане випромінювання (в ньому задіяні фотони, що рухаються паралельно вісі).

Властивості лазерного випромінювання:

1) висока напрямленість;

2) монохроматичність і когерентність;

3) велика потужність.

В медицині застосовуютються:

1) в ролі скальпеля;

2) для заживлення трофічних виразок;

3) точкове приварювання сітківки ока;

4) в ендоскопічній апаратурі- видаляють пухлини, поліпи;

5) світлом гелій-неонового лазера опромінюють кров внутрішньовенно через світловід для збільшення кисневої ємності.

Резонансні методи квантової механіки

I. Електронний парамагнітний резонанс

Атоми парамагнетиків мають власне магнітне поле. У зовнішньому магнітному полі енергетичні рівні атома розщеплюються на підрівні – ефект Зеємана.

Е₂

Е₁ ↑ν_рез=⧍Е= Е₂ – Е₁

Якщо таку речовину опромінювати електромагнітними хвилями, то електрон буде поглинати ті кванти, частота яких ν_рез=, де ⧍Е – різниця енергій підрівнів.

Озн.Електронним парамагнітним резонансом називається вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти парамагнетичною речовиною в постійному магнітному полі, зумовлене переходом електрона між підрівнями Зеєманівського розщеплення енергетичних рівнів (ЕПР). ЕПР спостерігається, якщо на речовину одночасно діють:

А) постійне магнітне поле;

Б) електромагнітна хвиля з частотою ν_рез.

ЕПР можна спостерігати так: при ν_рез – const плавно змінювати індукцію В. Резонансне поглинання буде при деякому значенні В (в інтервалі ⧍В), ширина інтервалу залежить від часу життя збудженого стану.

Застосування:Застосовують спектрометр ЕПР: в магнітне поле (В – змінюється) розміщують речовину і пропускають через неї СВЧ-випромінювання певної частоти. Приймач забезпечує спостереження і запис спектрів. ЕПР застосовують для медико-біологічних досліджень:

1. Виявлення і дослідження вільних радикалів (вони прармагнетики). Дослідження опромінених білків дозволило пояснити механізм утворення вільних радикалів і простежити зміни первинних і вторинних продуктів радіаційного ураження;

2. Визначають канцерогенну активність речовин;

3. Спін-мітки: до біологічної молекули приєднується відоме парамагнітне з’єднання. Можна отримати інформацію про положення різних груп атомів у молекулі про природу і орієнтацію хімічних зв’язків;

4. Спінові зонди – парамагнітні частинки, які нековалентно зв’язані з молекулами досліджуваних речовин. Зміна ЕПР-спектра – зондів свідчить про зміну стану оточуючих молекул. Можна визначити мікров’язкість, напруження ліпідів.

II. Ядерний магнітний резонанс (1946р. Блох і Парселл)

Суть: ядра атомів складаються з протонів і нейтронів, які мають магнітні моменти. Магнітний момент ядра складається з магнітних моментів протонів і нейтронів. У зовнішньому магнітному полі енергетичні рівні ядра розчіпляються на підрівні. Якщо подіяти електромагнітними хвилями, то буде поглинання тієї частоти ν_рез, яка відповідає різниці енергії підрівнів;

ν_рез=

Озн. Ядерний магнітний резонанс - це вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти ядрами в постійному магнітному полі, зумовлене розщепленням енергетичних рівнів ядра або переорієнтацією магнітних моментів ядер.

ν_рез залежить від оточення даного атома, тому в медицині ядерний магнітний резонанс дає змогу досліджувати морфологію тканин.

ЯМР-томографи: замінено МРТ – магніто-резонансні томографи.

В основному розглядаються ядра водню-протони. По резонансу по них можна встановити неоднорідностей у водовмісних тканинах.

Реально: в томографах частота електромагнітної хвилі не змінюється, а «прощупування» різних областей досягається плавною зміною зовнішнього магнітного поля, яке створюється електромагнітами.

Генератор хвилі посилає імпульс певної довжини, ядра перерізу переходять в збуджений стан і під час паузи випромінюють електромагнітну хвилю тієї ж частоти, яка уловлюється котушкою генератора. Керуючи постійним магнітним полем, задаючи характер його зміни у просторі можна обирати площини перерізів, де досліджується концентрація потрібних ядер. ν = 42,58٠ 2π - для водню. Отримуємо зображення малорухомих тканин. Області з малою густиною протонів: повітря, кістки, а також рухомі речовини (кров, лімфа) дають слабі зображення – темні області. Швидкість затухання МР-сигнала залежить від фази (у рідині повільні) і злоякісні пухлини збільшують час на 30-35%. Кушетка з пацієнтом рухається відносно котушки, час 0,5-1 год., шари 3-4 мм. Більш інформативна ніж КТ.

Співвідношення невизначеності Гейзенберга

В квантовій механіці існують обмеження в можливостях одночасного визначення координати частинки і величини її імпульсу.

⧍x = ⧍p_x ≥ħ

Чим точніше визначена одна з цих двох змінних величин, тим з меншою точністю може бути визначена інша і навпаки.

Хвильові властивості мікрочастинок

Корпускулярно-хвильовий дуалізм: має універсальний характер. Вперше ця ідея висловлена фіранцузьким фізиком Лії де Бройлем у 1924 р. Всі частинки, які мають певний імпульс, мають хвильові властивості:

P=, λ - довжина хвилі де Бройля.

Формула де Бройля експериментально підтверджена дослідами з розсіюванням частинок на кристалі.

Поняття про електронний мікроскоп

Якщо взяти фольгу 10^-5 см з золота і пропустити електрони, то побачимо дифракційну картину:

В електронному мікроскопі замість променів - жмуток електронів, а замість лінз – магнітні поля. Можна розглянути предмети, зрівняні з атомами.