Biofizika. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása

Átírás

1 Biofizika Csik Gabriella Eötvös Loránd kora diákjait tréfásan jellemzi : határozott céllal jön az egyetemre, ügyvéd, politikus vagy orvos akar lenni. Amint az egyetembe lép, kritizálja tanárait, s az egész tanítási rendszert. A kritikája rendesen arra vezeti, hogy az elméleti tantárgyakat életcéljaira haszontalanoknak nyilatkoztatja, «fog soha fizikával vagy kémiával gyógyítani, mire való volna tehát e tantárgyak tanulására időt fecsérelni?» csik.gabriella@med.semmelweis-univ.hu Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése Pl. szívműködés, membránok szerkezete és működése, érzékelés stb. Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása Pl. ekg, röntgendiagnosztika, mikroszkópos technikák stb.

2 Sugárzások Sugárzások Milyen példákat tapasztalunk magunk körül? Nem ionizáló ok Ionizálo ok hang mechanikai elektromágneses elektromágneses részecske rádióhullámok magok IH hallható hang UH alfa béta rádió hullámok infravörös látható ultraibolya röntgen gamma Sugárzás: energia kibocsátás és terjedés A természete Hullámok általános leírása Hullám? Részecske? Rezgés v. oszcilláció következtében kialakuló, térben és időben periódikus jelenség, amelyben energia terjed Christiaan Huygens ( ) Traité de la lumière 1690 Isaac Newton ( ) Opticks 1704 de a hullámok különbözhetnek az energia fajtája az energia mennyisége a terjedés mechanizmusa szerint

3 Jellemző mennyiségek y A hullámhossz Fázis : kitérési állapot Térbeli periodicitás - hullámhossz y y λ [m] vagy [nm] Maximális kitérés - amplitúdó 2 E ~ A Időbeli periódicitás - periódusidő - frekvencia y A periódusidő Hullámszám: k=2π/λ φ(x)=kx+φo φ=ϖt+kx+φο Körfrekvencia: ϖ=2π/τ φ(t)=ϖt+φo f 1 1 = τ s Hullámtermészetet bizonyító jelenségek: - - elhajlás - szuperpozició/interferencia - polarizáció Elhajlás Huygens-elv : egy hullámfelület minden pontjából elemi hullámok indulnak ki. Az új hullámfelület ezen hullámok burkolófelülete.

4 Szuperpozíció: az eredendő amplitúdó a találkozó hullámok amplitúdóinak összege, azaz a tér egyes pontjaiban a jelenlevő rezgések összeadódnak Interferencia - koherens hullámok szuperpozíciója A két hullám összegződése időben állandó hullámképet (intenzitáseloszlást) hoz létre Hullám1 és 2 Hullám1 + 2 Hullám1 Hullám2 Hullám1 + 2 hullám1 hullám2 Hullám 1+2 hullám1 hullám2 Hullám 1+2 azonos fázis ellentétes fázis azonos frekvencia azonos frekvencia pozitív interferencia negatív interferencia Φ = 0 Φ = 180 A hullám vagy részecske? 1. Young kísérlete két réssel Mit látunk az ernyőn? Young kísérletének magyarázata S 1 és S 2 rések elemi hulláforrások Thomas Young ( ) ha részecske ha hullám A résekből kiinduló hullámok ugyanabból a hullámfrontból származnak, tehát azonos Fénysugár fázisban vannak interferencia

5 Fehér felbontása ráccsal 2. Hertz - kísérlete a fotoelektromos hatásról anód fotoelektronok fotokatód Áram folyik? Heinrich Hertz 1887 szabályozható feszültségforrás Fotoelektromos effektus azonos szín /hullámhossz Megvilágító azonos amplitúdó Fotoelektromos effektus értelmézése? növekvő amplitúdó / intenzitás Folyik áram? változó szín / hullámhossz Folyik áram? Nincs elektronkilépés, amíg a frekvencia halad meg egy kritikus értéket igen igen Növekvő intenzitás, de azonos frekvencia Kilepő elektronok száma Elektronok mozgási energiája Növekvő frekvencia Kilépő elektronok száma Elektronok mozgási energiája Mit kell tapasztalnunk ha hullám ha részecske kísérleti eredmény nő nő nő nő változatlan változatlan változatlan változatlan változatlan változatlan nő nő

6 Magyarázat? -A jelenség értelmezése a hullámtermészettel lehetséges -Plank a kvantumfizika kezdetei - hullámoknak az energiája csak diszkrét értékeket vehet fel E = hf - Einstein magyarázata a kvantumelmélet alapján "Én úgy vagyok, hogy már száz ezer éve nézem, mit meglátok hirtelen" József Attila Max Planck Fizikai Nobel-díj 1918 a kvantumelméletért "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta". Albert Einstein Fizikai Nobel-díj 1921 a fotoelektromos hatás magyarázatáért for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect". Einstein magyarázata A kvantált termeszetű, energia csomagokban terjed A foton energiája: E = hf A foton az elektronnal való ütközéskor annak átadja teljes energiáját, ha ez az energia legalább akkora, mint az elektron kilépési munkája (A). Ha az energia kisebb, mint a kilépési munka (v. ionizációs energia), nincs kölcsönhatás Einstein magyarázata és a határfrekvencia A kilépő elektron mozgási energiája egyenesen arányos a frekvenciájával Metszete az x tengellyel kijelöli a kölcsönhatáshoz szükséges legkisebb frekvenciát E kin ƒ min 1 foton 1 elektron kölcsönhatás A kilepő foton mozgási energiája: E kin = hf A Ez az érték a fotokatód anyagára jellemző: A = hf

7 A kettős természetű Részecske energiája kvantált, egy csomagja a foton Egy foton energiája: Planck állandó: Nincs nyugalmi tömege Vákuumban is terjed h = 6.62 c E = hf = h λ 34 Joule s Fotonenergia kiszámítása Ha λ=400 nm E = E = h 3 Js 4 c λ 8 m s = m J E = = 3. 1eV J E VIS = ev Mennyi is...? 1 TeV: a repülő szúnyog mozgási energiája 200 MeV: 235 U atom maghasadásakor felszabaduló energia 13.6 ev: hidrogén atom ionizációs energiája A kettős természetű Hullám transzverzálisan, szinuszosan változó elektromos és mágneses tér Elektromágneses Mágneses mező változasá 2.5 ev: kékeszöld színű fotonenergiája 1/40 ev: kt energia szobahőmérsékleten Elektromos mező változása Terjedesi irány

8 Miért csak a lenne kettős természetű? A részecskék hullámtermészete De Broglie hipotézise: minden anyagnak van hullámtermészete Az elektron impulzusa: p = m v e λ = h / p Az elektronnyaláb szóródik (elhajlás és szuperpozició), elhajlási képet hoz létre, mint a Nobel Prize in Physics 1937 c E = hf = h λ Clinton Joseph Davisson George Paget Thomson "for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals" Az elektromágneses spektrum mobil telefon rádióhullám mikrohullám infravörös látható ultraibolya röntgen gamma frekvencia Kérdés: minek a hossza/átmérője lehet akkora, mint a mikrohullám, a látható vagy a röntgen hullámhossza? Keressen hétköznapi tárgyakat! -5 ev mikrohullám 2 ev látható 0 ev röntgen ionizáló ionizáló

9 -5 ev mikrohullám 2 ev látható 0 ev röntgen energia (ev) frekvencia(hz) hullámhosz (m) energy (ev) frequency (Hz) wavelength (m) gamma 5 20 röntgen TV/FM radió mikrohullám radió ultraibolya infravörös hosszú hullámhosszú Az optikai tartomány látható Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika infravörös II UV-C nm UV-B nm UV-A nm ultraibolya