Orvosi Biofizika. A fény biofizikája. A tudomány küldetése. Biológiai jelenség fizikai leírása. Orvosi Biofizika. Kellermayer Miklós

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Orvosi Biofizika. A fény biofizikája. A tudomány küldetése. Biológiai jelenség fizikai leírása. Orvosi Biofizika. Kellermayer Miklós"

Márta Kozma
6 évvel ezelőtt
Látták:

A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése -

biofizikája Kellermayer Miklós Jó ez? Fontos ez? Igen(!

Tudományos lelkület: Rácsodálkozás (kíváncsiság) Kritikus

Hipotézisfelállítás Kísérlet bármely tudományos igazság

fizikai leírása Módszertana: Az élő folyamatokat 1)

biológiai jelenségek, folyamatok fizikai leírása 2) Fizikai

1 A tudomány küldetése A valóság minél pontosabb megismerése - a tudományos igazságok feltárása Orvosi Biofizika A fény biofizikája Kellermayer Miklós Jó ez? Fontos ez? Igen(!): A valóság sokkal szebb, mint azt bárki elképzelhetné...! Richard P. Feynman (Nobel-díjas) Megközelítési módjaink: 1. Tudományos lelkület: Rácsodálkozás (kíváncsiság) Kritikus gondolkodás (mások és önmagunk kritikája) Kérdezés és kétkedés 2. Tudományos módszer: Megfigyelés Megfontolás Hipotézisfelállítás Kísérlet bármely tudományos igazság próbaköve a kísérlet Orvosi Biofizika Biológiai jelenség fizikai leírása Módszertana: Az élő folyamatokat 1) egyszerűsíti 2) számszerűsíti Feladatai: 1) Orvosi és biológiai jelenségek, folyamatok fizikai leírása 2) Fizikai alapú orvosi módszerek megértése Kérdések: 1. Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon? 2. Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése.

A spermatocita által érzékelt közegellenállás Mekkora erőt (F)

Spermatocita motilitás molekuláris mechanizmusa Hogyan történik

Szerkezet Dinein karok Biomolekuláris funkcionális modell: In

duplex Küllő Belső mikrotubulus duplex Dinein kar Mikroszkóp

5 pn Részeg tengerész lépegetési mechanizmus Mikrotubulus mozog a

biofizikája H-atom emissziós spektruma Orion Nebula A fény mint

2 A spermatocita által érzékelt közegellenállás Mekkora erőt (F) kell kifejteni egy spermatocitának ahhoz, hogy adott (v) sebességgel mozogjon? Spermium modell: kör keresztmetszetű tárgy Stokes törvény: Spermatocita motilitás molekuláris mechanizmusa Hogyan történik mindez (mi a pontos mechanizmus)? Predikciós erejű modell építése. Szerkezet Dinein karok Biomolekuláris funkcionális modell: In vitro motilitási próba Dinein MT Sejtmembrán Külső mikrotubulus duplex Küllő Belső mikrotubulus duplex Dinein kar Mikroszkóp fedőlemez F = γv = 6rπηv Fluoreszcencia videomikroszkópia γ = 6rπη = (m) π 10 3 (Pas) = Ns/m *Megjegyzés: az ábra a kinezint és nem a dineint mutatja! F = γv = Ns/ m m /s = N =1.5 pn Részeg tengerész lépegetési mechanizmus Mikrotubulus mozog a dineinen Dinein mozog a mikrotubuluson Fény: mindenütt A fény biofizikája H-atom emissziós spektruma Orion Nebula A fény mint hullám. Hullámjelenségek. Elektromágneses sugárzás, spektrum. Feketetest-sugárzás, Planck-elmélet. A fény mint részecske. Fényelektromos hatás. Fény kettős természete. Anyaghullámok, az elektron mint hullám. Alkalmazások. Forrás Sugárzás Besugárzott test

A hullámok forrása: rezgőmozgás Harmonikus rezgőmozgás Egyensúlyi helyzetéből kitérített rendszerre visszatérítő erő hat (pl. rugóra függesztett tömeg).

idő Sebesség y = Rsinϕ A tovaterjedő hullámmozgás fontos paraméterei: Tacoma Narrows Bridge ( Gallopin Gertie ) ( Gertie the Dinosaur (1914), rajzfilm, Winsor McCay)

november 7. (A jelenség magyarázata) Kármán-féle örvények (Szélben, a híd élén keletkeznek. Ha nem válnak le a felületről, rezgés lép fel.

kitérés (amplitudó) Mivel ϕ =ωt: Ha a kiindulási fázisszög (ϕ0) nem zérus: Mivel a szögsebesség (ω) a periódusidő (T) alatt megtett teljes kör (2π): y = Rsin(ωt) y =

f Hullámok típusai Keletkezés mechanizmusa szerint: 1. Mechanikai: rugalmas deformáció, rugalmas közegben terjed (pl. hang) 2.

síkhullám vízfelületen) 3. térbeli hullámok (pl. hang) Hullámjelenségek I.

3 A hullámok forrása: rezgőmozgás Harmonikus rezgőmozgás Egyensúlyi helyzetéből kitérített rendszerre visszatérítő erő hat (pl. rugóra függesztett tömeg). Valós tér Fázistér Körpálya +Kitérés Példa: Tacoma Narrows Bridge Helyzet Egyensúlyi helyzet sinus függvény -Kitérés Kitérés vs. idő Sebesség y = Rsinϕ A tovaterjedő hullámmozgás fontos paraméterei: Tacoma Narrows Bridge ( Gallopin Gertie ) ( Gertie the Dinosaur (1914), rajzfilm, Winsor McCay) Átadás: július 1. Szélben (50-70 km/h): órákon át tartó rezgés. Rezgés amplitudó eleinte 0,5 m, majd egy tartókábel elszakadása után akár 9 m! Összeomlás: november 7. (A jelenség magyarázata) Kármán-féle örvények (Szélben, a híd élén keletkeznek. Ha nem válnak le a felületről, rezgés lép fel.) Kármán Tódor (Theodore von Kármán) ϕ = fázisszög t időnél y = kitérés t időpontban ω = szögsebesség (ϕ/t) R = forgó egységvektor hossza = maximális kitérés (amplitudó) Mivel ϕ =ωt: Ha a kiindulási fázisszög (ϕ0) nem zérus: Mivel a szögsebesség (ω) a periódusidő (T) alatt megtett teljes kör (2π): y = Rsin(ωt) y = Rsin(ωt +ϕ 0 ) y = Rsin( 2π T t +ϕ 0) Periódusidő (T) Frekvencia (f=1/t) Terjedési sebesség (v, c) Hullámhossz (λ): egy periódusidő alatt megtett távolság: λ = ct = c f Hullámok típusai Keletkezés mechanizmusa szerint: 1. Mechanikai: rugalmas deformáció, rugalmas közegben terjed (pl. hang) 2. Elektromágneses: elektromos zavar, vákuumban (is) terjed (pl. fény) Terjedés dimenziója szerint: 1. egydimenziós (pl. megpendített húr) 2. felületi hullámok (pl. síkhullám vízfelületen) 3. térbeli hullámok (pl. hang) Hullámjelenségek I. Diffrakció, hullámelhajlás Huygens-Fresnel elv: egy hullámfront minden pontja további hullámok forrása Hullámhossznál sokkal nagyobb rés A rezgés és terjedés relatív irányai szerint: 1. Longitudinális (pl. hang) 2. Tranzverzális (pl. fény) Christiaan Huygens ( ) Augustin-Jean Fresnel ( ) Hullámhossznál kisebb rés Hullámfront A hullám megjelenik az árnyékos területen is.

Polarizáció Hullámok fázisban (φ=0): erősítés

Hullámhosszal összemérhető nagyságú rés (=d

Polarizáció: kitüntetett irányú rezgés Kettős

interferencia mintázat a pontszerű rések közötti

polarizálása Síkpolarizált Polarizátor lemez hullám

forrásból származó hullámok interferenciája

nézve: interferencia maximumok kis d nagy d

Polarizálatlan hullám A fény: elektromágneses

Mágneses tér James Clerk Maxwell (1831-1879)

Terjedési sebessége: ~3 futballpálya ~3 m ~3 cm

4 Hullámjelenségek II. interferencia Hullámjelenségek III. Polarizáció Hullámok fázisban (φ=0): erősítés Alapja: szuperpozíció elve Ha φ=π : kioltás Hullámhosszal összemérhető nagyságú rés (=d távolságra levő pontszerű rések, ahol d~λ) Polarizáció: kitüntetett irányú rezgés Kettős törés: anizotróp terjedési sebesség Csak a tranzverzális hullámok polarizálhatók. Mechanikai hullámok polarizálása rés Kialakuló interferencia mintázat a pontszerű rések közötti távolságtól (d) függ Elektromágneses hullámok polarizálása Síkpolarizált Polarizátor lemez hullám Polarizátor Extinkció Analizátor Két, pontszerű forrásból származó hullámok interferenciája Polarizáció illusztrálása a terjedési irányból nézve: interferencia maximumok kis d nagy d Cirkulárisan polarizált hullám Síkpolarizált hullám Polarizálatlan hullám A fény: elektromágneses hullám Az elektromágneses spektrum Térben tovaterjedő elektromágneses zavar. Rugalmas közeg nem szükséges a terjedéséhez. Mágneses tér James Clerk Maxwell ( ) Hullámhossz A fény elektromágneses hullám. Terjedési sebessége: ~3 futballpálya ~3 m ~3 cm nm ~30 H-atom átmérő Terjedés iránya Elektromos tér cvákuum=2, x 10 8 ms -1 N.B.: 1) spektrum = függvény (EM sugárzás intenzitása az energia függvényében) 2) elektromágneses spektrum = sugárzás fajtái az energia függvényében

A fény keltése: Feketetest (Termikus) sugárzás A termikus sugárzás a fénykeltés egyik mechanizmusa (a lumineszcencia

később) vákuum T 1 > T 2 Hőcsere: Hőmérséklet kiegyenlítődés Magas hőmérsékletű testek fényt bocsátanak ki (emittálnak).

Kirchoff sugárzási törvénye A tárgyak nemcsak sugároznak, hanem a sugárzást el is nyelik (abszorbeálnak)!

fekete testre (BB*): (*BB = black body ) Vagyis az abszolút fekete test minden reá eső sugárzást elnyel ( semmit nem ver

Legnagyobb emisszió Legnagyobb abszorpció Feketetest sugárzás Tulajdonságai és a levonható következtetések Mi történik, ha

k meg? Fotoelektromos hatás: Megfigyelés Intenzitás (a.u.

kisugárzott felületi teljesítmény, emissziós spektrum alatti terület.

a megvilágított fémfelületről Mérések, megállapítások Hullámhossz (nm) Wien-féle eltolódási törvény: Wilhelm Hallwachs

5 A fény keltése: Feketetest (Termikus) sugárzás A termikus sugárzás a fénykeltés egyik mechanizmusa (a lumineszcencia mellett, l. később) vákuum T 1 > T 2 Hőcsere: Hőmérséklet kiegyenlítődés Magas hőmérsékletű testek fényt bocsátanak ki (emittálnak). Minél magasabb a test hőmérséklete, annál rövidebb hullámhosszak jelennek meg az emissziós spektrumában. Kirchoff sugárzási törvénye A tárgyak nemcsak sugároznak, hanem a sugárzást el is nyelik (abszorbeálnak)! Kisugárzott felületi teljesítmény (M) és abszorpciós tényező (α) aránya konstans Gustav Robert Kirchoff ( ) Abszolút fekete testre (BB*): (*BB = black body ) Vagyis az abszolút fekete test minden reá eső sugárzást elnyel ( semmit nem ver vissza). Az abszolút fekete testen ezért a hőmérsékletfüggő emisszió ( feketetest sugárzás ) ideálisan vizsgálható. Legnagyobb emisszió Legnagyobb abszorpció Feketetest sugárzás Tulajdonságai és a levonható következtetések Mi történik, ha egy testet fénnyel világítunk meg? Fotoelektromos hatás: Megfigyelés Intenzitás (a.u.) Plankelmélet Ultraibolya katasztrófa Klasszikus elmélet (Rayleigh-Jean törvény) Stefan-Boltzmann törvény: MBB = kisugárzott felületi teljesítmény, emissziós spektrum alatti terület. Jozef Stefan ( ) Ludwig Eduard Boltzmann ( ) Hallwachs-effektus: UV fény hatására negatív töltések távoznak a megvilágított fémfelületről Mérések, megállapítások Hullámhossz (nm) Wien-féle eltolódási törvény: Wilhelm Hallwachs ( ) Philipp Lenard/ Lénárd Fülöp ( ) Planck-féle sugárzási törvény: h = hatáskvantum, Planckállandó (6.626 x Js). Értelme: az energia csomagokban (kvantumokban) nyelődik el és emittálódik Wilhelm Wien ( ) Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) Elektron emisszió: besugárzást azonnal követi Elektron emisszió csak nagyfrekvenciájú (pl. kék, UV) fényben Nincs elektron emisszió alacsony frekvenciájú (pl. vörös) fényben Fotoelektromos áram: fényintenzitás függvénye Fotoelektromos áram: nem függ a fény színétől

Fotoelektromos hatás: Magyarázat A fény egyszerre hullám és részecske

relativitáselmélet fénycsomagok Felületből kilépő elektronok Christiaan

(1879-1955) fémfelület Hullám Részecske E kin = kilépő elektron mozgási

62 10-34 Js) f = frekvencia hf = fényenergia = fény kvantum, foton W ex

vákuumban impulzus rendelhető hozzá nyugalmi tömege 0.

Fotoelektromos hatás Fénytörés Gerjesztés, Ionizáció Compton-szórás

Anyaghullámok - az elektron mint hullám ALkalmazások I.

tömeg-energia ekvivalencia Planck: sugárzási törvény Maxwell: fény

Halbert Germer (1896 1971) Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de

) impulzusa: Részecske hullámhossza ( de Broglie hullámhossz ): Miért

6 Fotoelektromos hatás: Magyarázat A fény egyszerre hullám és részecske 1905: Annus mirabilis fotoelektromos hatás diffúzió speciális relativitáselmélet fénycsomagok Felületből kilépő elektronok Christiaan Huygens ( ) Sir Isaac Newton ( ) Albert Einstein ( ) fémfelület Hullám Részecske E kin = kilépő elektron mozgási energiája h = Planck állandó ( Js) f = frekvencia hf = fényenergia = fény kvantum, foton W ex = kilépési munka E kin = hf - W ex Foton: fénysebességgel (c) terjed vákuumban impulzus rendelhető hozzá nyugalmi tömege 0. Terjedés közben Diffrakció Interferencia Polarizáció Kölcsönhatáskor Fotoelektromos hatás Fénytörés Gerjesztés, Ionizáció Compton-szórás Párkeltés Ha a fény lehet részecske, egy részecske lehet hullám? Anyaghullámok - az elektron mint hullám ALkalmazások I. Feketetest-sugárzás: Thermográfia, infradiagnosztika Einstein: tömeg-energia ekvivalencia Planck: sugárzási törvény Maxwell: fény terjedési sebessége Davisson-Germer kísérlet Nem abszorbeáló rétegeten át lehet látni. Emlőszűrés, emlőcarcinoma Clinton Joseph Davisson ( ) Lester Halbert Germer ( ) Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7th duc de Broglie ( ) Gyulladás Részecske (foton is!) impulzusa: Részecske hullámhossza ( de Broglie hullámhossz ): Miért nem érzékeljük makroszkopikus testek hullámtermészetét (pl. puskagolyó)? Az elektron hullám! interferencia maximumok Puskagolyó: m=1 g, v=1 kms -1 esetén λ= 6 x m!! Reptéri termográfia sertés influenza pandemia során Krónikus musculoskeletalis stressz (fájdalom)

Fotoelektromos hatás: fotodetektálás, fotocella,

.. Sugárforrás: elektronágyú Fénydetektálás,

e sinα F=elektronra ható erő; e=elektron töltése;

α=optikai tengely és a mágneses tér iránya által

λ= de Broglie hullámhossz α=optikai tengely és a

7 Alkalmazások II. Anyaghullámok: Elektronmikroszkóp Alkalmazások III. Fotoelektromos hatás: fotodetektálás, fotocella, CCD, stb, stb... Sugárforrás: elektronágyú Fénydetektálás, képrögzítés, CCD kamera Fényenergia összegyűjtése, átalakítása Fényerősítés Fókuszálás: elektronnyaláb kitérítése mágneslencsével F = ebv e sinα F=elektronra ható erő; e=elektron töltése; B=mágneses térerő; V e =elektron sebessége; α=optikai tengely és a mágneses tér iránya által bezárt szög d = λ d=legkisebb feloldott távolság λ= de Broglie hullámhossz α=optikai tengely és a mágneses α tér iránya által bezárt szög de Broglie hullámhosz alapján elméleti d~ 0,005 nm (=5 pm) Feloldóképesség: Transmissziós elektronmikroszkóp (TEM)

Hasonló dokumentumok

Orvosi Biofizika A fény biofizikája

Orvosi Biofizika A fény biofizikája Kellermayer Miklós A hullámok forrása: rezgőmozgás A fény biofizikája A fény mint hullám. Hullámjelenségek. Elektromágneses sugárzás, spektrum. Feketetest-sugárzás,