Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet, igazgató: Panyi György, egyetemi tanár. oktatási menedzser: Nizsalóczki Enikő 1/27

Átírás

1 Debreceni Egyetem Általános Orvostudományi Kar Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet, igazgató: Panyi György, egyetemi tanár Biofizikai Tanszék (1. félév) vezető: Nagy Péter, egyetemi tanár Biomatematikai tanszék (1. félév) vezető: Mátyus László, egyetemi tanár Sejtbiológiai Tanszék (2. félév) vezető: Vereb György, egyetemi tanár oktatási menedzser: Nizsalóczki Enikő 1/27

2 Miről szól a biofizika, mint tudomány? Határterületi, interdiszciplináris tudomány Biológiai és különösen orvosi jelenségek molekuláris és fizikai magyarázata kvantitatív leírás Mit adott a biofizika az orvostudománynak? A. A sejtek, szövetek, szervek működésének megértése molekuláris szinten (pl. idegrendszer működése, akciós potenciál kialakításában részt vevő ioncsatornák) B. Betegségek mechanizmusának kiderítése (pl. amyloid plakk képződés Alzheimer betegségben) C. Terápiás eljárások fejlesztése pl. fotodinámiás terápia, UH terápia D. Diagnosztikus eljárások kidolgozása: pl. MRI, CT A. C. D. 2/27

3 Mit ad egy orvostanhallgatónak a biofizika? 1964 Régen: egyetemes természettudományos tudás részeként oktatták a fizikát Ma: A tudomány és az egyetemi oktatás specializálódott gyakorlatorientált lett hallgatóorientált lett A biofizika oktatása követi ezt. Célok ma szemlélet adása: természeti törvények mindenhatósága tudományos igényesség: kétkedés az áltudományokban élettani és kóros folyamatok, diagnosztikus eljárások megmagyarázása 3/27

4 Milyen a biofizika, milyen egy biofizikus???? Pontos (a számoknak jelentése van! ) fizikus: 10. tizedesjegy is érdekli kémikus: nagyságrend érdekli biológus: az érdekli, hogy valami nő vagy csökken Elvonatkoztat, egyszerűsít 4/27

5 Mi a biofizika tantárgy célja? Alapvető természettudományos ismeretek nyújtása Orvosi fizikai ismeretek (pl. diagnosztikus eljárások fizikai alapjai) Molekuláris biofizika (pl. diffúzió, a sejtmembrán fehérjék működése) Szervek, szervrendszerek biofizikája (pl. látás, hallás, keringés) Kapcsolódás más, felsőbb éves tantárgyakhoz: Élettan Klinikai fiziológia Radiológia 5/27

6 6/27

7 Hogyan tanuljunk az egyetemen, hogyan tanuljuk a biofizikát? You learn for yourself not for others, not to show off, not to put the other one down, learning is your secret, it is all you have, it is the only thing you can call your own. Nobody can take it away (Louise Bourgeois) Keresni a logikát Hogyan kapcsolódik ez régebben tanultakhoz, hogyan köthető a később tanulandókhoz? Időben elkezdeni Beiratkoztam egy gyorsolvasó tanfolyamra, és húsz perc alatt elolvastam a Háború és békét. Az oroszokról szól." - Woody Allen Ennyi kevés lesz a vizsgán 7/27

8 Órák Biofizika előadás ÁOK AOBIF07A1 előadás: heti 2, 1-14 hét szeminárium: heti 2, 1-14 hét FOK FOBIF11F1 előadás: heti 2, 1-13 hét szeminárium: heti 2, 1-13 hét Biofizika gyakorlat AOBIF08A1 gyakorlatok, 2 hetente 3 óra össz. 6 gyakorlat, 1-14 hét FOBIF12F1 gyakorlatok, 2 hetente 3 óra össz. 4 gyakorlat, 3-14 hét 8/27

9 Az oktatási menedzser (Nizsalóczki Enikő) fogadóórái (a 2. héttől): Hetente három alkalom az Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet szemináriumi termében. Élettudományi Épület, földszint, F.402-es terem. Magyar és külföldi hallgatóknak egy időben. Hétfő 10:00-10:45 Csütörtök 15:45-16:30 Péntek 14:00-14:45 Élettudományi Épület Földszint Kivételek: az 1. héten a fenti időpontokban nem lesz fogadóóra. Esetleges egyéb eltérő időpontokat és változásokat az Elearning felületén közlünk. 9/27

10 Az oktatási menedzser (Nizsalóczki Enikő) elérhetősége: Az oktatási menedzserrel való kapcsolattartás elsődleges eszköze az Ha a kérdés ben megválaszolható, nem is kell elmenni a fogadó órára. Fontosabb oktatási eseményekről (pl. dolgozatok időpontja, óraáthelyezés) az Elearning mellett Neptun üzenetben is értesítjük a hallgatókat. Ezekről a Neptun rendszer t is küld, ezért célszerű a Neptunban valós, használatban lévő címet megadni. 10/27

11 Oktatási web oldal: biophys.med.unideb.hu 11/27

12 Tananyagok (védett tartalom): hálózati azonosító kell hozzá!! regisztrálni kell a kurzusra (elvileg automatikus, tanulmányi osztály) belépés után a regiszrált kurzusait kell látnia Ennek a négy, a BSI-hez tartozó kurzusnak mindenképp látszani kell: ÁO, FO Biofizika gyakorlat ÁO, FO Biostatisztika ÁO, FO, MB Biofizika előadás Képletek és összefüggések értelmezése biofizikából 12/27

13 Tankönyvek Előadáskurzus (elmélet) Kötelező tankönyv: Debreceni Egyetem Semmelweis Egyetem Pécsi Tudományegyetem Gyakorlati kurzus: online gyakorlati jegyzet: /27

14 Segítség előadásanyagok megértéséhez Jelenleg készül Minden előadás minden ábrájához kb. negyed-fél oldalas magyarázat Jelmagyarázat az előadásanyagokhoz! 5 * fontos anyag, szükséges a vizsgára elsősorban 5-ösért elvárt anyag kiegészítő anyag csak a nagyon elszántaknak hf A E el, kin A 1 mv 2 a sárgával jelölt egyenletek fontosak 2 14/27

15 Feladatgyűjtemény, képletek értelmezése és gyakorlása Moodle e-learning 15/27

16 Minimumkérdések Kb. 300 kérdés a helyes válasszal együtt A legalapvetőbb dolgok összefoglalása Az elearning-en elérhető PDF formátumban Nem ellenség, hanem barát Nem szabad az anyagtól függetlenül tanulni Szintén hasznos Tantárgyi alapfogalmak: Nem azonos a minimumkérdésekkel. Nem kérdezzük a vizsgán. De illik tudni 16/27

17 Évközi dolgozatok időpontjai: 7. hét, október 21. (hétfő) 07: hét, november 18. (hétfő) 07:00 17/27

18 Elektromágneses sugárzás, a fény kettős természete, anyaghullámok Miért fontos az elektromágneses sugárzás? A fény a legfontosabb sugárzás, melynek élettani vonatkozása és orvosi alkalmazása is széleskörű - látás - optikai módszerek (mikroszkópiás technikák, endoszkópia, stb.) - terápiás alkalmazások (fotodinámiás terápia, kékfény-terápia, fotokemoterápia PUVA, stb.) Az elektromágneses spektrum egyes komponenseit (rádióhullámok, röntgen- és gammasugárzás) diagnosztikai és terápiás célokra is használják (pl. CT, PET, MRI, stb.) Előzetes ismeretek (középiskola) A hullámmozgás jellemzői, leírása. (Fény)hullámok interferenciája, elhajlása. A Huygens-Fresnel elv. Elektromágneses hullámok keltése és terjedése. Az elektromos mező munkája, munkatétel. Miről tanulunk ma? A fény és az elektron kettős természetéről (részecske és hullám) Louis de Broglie hipotéziséről Testek által emittált hőmérsékleti sugárzásról A Heisenberg-féle határozatlansági relációról Cél: megtanulni, hogy milyen kísérletek igazolják a fény kettős természetét az elektromágneses sugárzás energiája kvantumokban változhat részecskék esetén a helykoordináta és az impulzus egyidejű mérése lehetetlen 18/27

19 A fény természete:! sebessége vákuumban: c = m/s más anyagokban: v = c / n, (l= c / f ) ahol n az anyag törésmutatója A XIX. század vége: elektromágneses hullám olyan transzverzális hullám, mely fénysebességgel (c) terjed és két komponense van (elektromos és mágneses) A hullámtermészet bizonyítéka: interferencia jelenségek A XX. század eleje: részecske (foton) E = hf = hc / l, ahol h = Planck állandó = Js a részecsketermészet bizonyítéka: fotoelektromos jelenség 19/27

20 Interferencia: a hullámokra jellemző. Kétréses kísérlet Erősítés: a hullámok fázisban vannak 2! x Kioltás: a hullámok nincsenek fázisban 1 erősítés gyengítés erősítés: világos kioltás: sötét A hullámelmélettel összhangban váltakozó fényes és sötét csíkok láthatók. Az intenzitás eloszlás a részecske elmélet jóslata szerint (egy fényes folt középen) x interferáló hullámok eredő hullám 20/27

21 áramerősség l 700 nm E=hf=hc/ l nincs fotoelektron + hf A E A fotoelektromos jelenség csak a fotonelmélettel értelmezhető E foton =1.77 ev kálium elektród, 2 ev kell egy elektron kiléptetéséhez A=2 ev (A kilépési munka) el, kin A 1 mv 2 E q C mozgási, elektron 19 =1,6 10 J 1 ev 2 l 550 nm l 400 nm E foton =3.1 ev v el = m/s v el = m/s U 19 elektron1v 1,6 10 1V= E foton =2.25 ev 400 nm stop potenciál _ A kilökött fotoelektronok kinetikus energiáját elektromos tér segítségével mérik. fotonenergia mv eu Elektron KE stop potenciál ΔE (ev) 2.25 ev 0.25 ev -0.25V 2 ev 3.1 ev 1.1 ev -1.1V 2 ev A hullámelmélet szerint a fotoelektronok kinetikus energiája arányos a fény intenzitásával. Mivel nem ez a helyzet, a fotonelméletet kell a fotoelektromos jelenség magyarázatára használni. magas intenzitású fény 550 nm alacsony intenzitású fény potenciálkülönbség! 21/27

22 Anyaghullámok! az elektromágneses sugárzásnak egyaránt vannak hullám és részecske tulajdonságai a klasszikusan részecsketermészetűnek tekintett elektronnal Davisson és Germer interferenciát hozott létre az elektronnak hullámtermészete is van minden elemi részecske bizonyos tulajdonságait csak hullámként való modellezésével lehet értelmezni az elemi részecskékhez hozzárendelhető egy hullámhossz, az ún. de Broglie hullámhossz: h Planck állandó l p impulzus Az elektron de Broglie hullámhossza: Js m kg v v v nm 22/27

23 Az elektromágneses spektrum! 400 nm 750 nm 23/27

24 Hőmérsékleti sugárzás 1 TK o.! Minden test anyagi minőségétől független, csak a test hőmérséklete által meghatározott spektrumú elektromágneses sugárzást bocsát ki, melyet hőmérsékleti sugárzásnak nevezünk. Kirchhoff sugárzási törvénye: M l, i l, i M l, j l, j M l,i - az i test által l hullámhosszon kisugárzott teljesítmény l,i az i test abszorpciós tényezője (a test által enyelt és a testre eső összes sugárzási energia hányadosa Ha egy test adott hullámhosszon erősebben sugároz, akkor az abszorpciója is nagyobb. Azt a testet, melynek abszorpciós tényezője =1 (tehát a ráeső összes sugárzást elnyeli), abszolút fekete testnek nevezzük. M l, i l, i M l, fekete l, fekete M l, fekete 1 M l, fekete 5 * Ezért az abszolút fekete test sugárzási törvényének ismeretében a hőmérsékleti sugárzás spektruma tetszőleges testre meghatározható az abszorpciós tényező ismeretében. 24/27

25 Hőmérsékleti sugárzás 2 Intenzitás 6x x x K Stefan-Boltzmann törvény: M fekete 4 T T Wien-féle eltolódási törvény:! 0 2x x K x x x10 14 Frekvencia Rayleigh-Jeans l A spektrum magyarázata: e - f 1 e - f 2 T állandó max 10 m K A testben levő elektronok oszcillációja idézi elő a hőmérsékleti sugárzást. A töltött részecskék (elektronok) nem zérus abszolút hőmérsékleten mozognak, oszcillálnak 5 * Intenzitás x Planck x x10 14 Frekvencia Két ellentétes törvényszerűség játszik szerepet: 1. a frekvencia növelésével növekszik az oszcillátor állapotainak (módusainak) száma minden módusra azonos (kt) energia esik (ekvipartíció tétele) 2. az oszcillátorok energiája csak hf kvantumokkal változhat minél magasabb az oszcillátor energiája (frekvenciája), annál alacsonyabb az állapot betöltöttsége (Boltzmann eloszlás) Rayleigh-Jeans törvény: a frekvencia növelésével arányosan nő az intenzitás 1+2 Planck-féle sugárzási törvény 25/27

26 5 * Heisenberg-féle bizonytalansági reláció Egy részecske helye (x) és impulzusa (p x ) csak korlátozott pontossággal határozható meg egyszerre. x p x h ad. 2 Hasonló összefüggés vonatkozik az energia-idő párra is: egy állapot energiája és élettartama egyszerre nem határozható meg tetszőleges pontossággal. A I=? E t A Heisenberg-féle bizonytalansági reláció a részecske hullám/kvantum természetének következménye. Egy vizsgált paraméter meghatározásának hibaforrásai: 1. Heisenberg-féle határozatlansági reláció 2. a mérés során a mérőműszer megváltoztatja a vizsgált rendszert 3. a mérőműszer tökéletlensége h Werner Heisenberg ( ) Mérési hiba. Nincs összefüggésben a Heisenbergféle határozatlansági relációval. Mivel az árammérő ellenállása nem nulla, a mért áramerősség nem azonos azzal, ami az árammérő nélkül fennállt. A Heisenberg-féle bizonytalansági reláció egyik következménye, hogy a kvantumvilág nem determinisztikusan, hanem statisztikusan működik (pl. az interferencia-mintát pontosan meg lehet jósolni, de azt, hogy az egyes fotonok pontosan milyen úton mennek, azt nem). Ezt az ún. koppenhágai értelmezést Einstein nem fogadta el ( I cannot believe that God would choose to play dice with the universe ). TK. 29, 31, 136, 607. o. 26/27

27 Konklúzió A fény kettős természete kísérletileg igazolható. Az elemi részecskékre is érvényes a hullám és részecske dualitás, így ez a kettősség az anyag általános jellegzetessége. m tömegű, v sebességgel mozgó részecskékre definiálható egy de Broglie hullámhossz. A fény hf. nagyságú fotonokból áll, amelyek egyenes vonalban fénysebességgel mozognak, mint kis részecskék. (Kutató)orvosként: A fény és az optika orvosi alkalmazása széleskörű a diagnosztikában és a terápiában Az elektron hullámtermészetét az elektronmikroszkópia használja nagy felbontású mikroszkópos képek készítésére (pl. sejtalkotók megjelenítése) 27/27