Készítette: Bagosi Róbert

Átírás

1 BIOFIZIKA JEGYZET Készítette: Bagosi Róbert 2017

2 TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK... 1 A BIOFIZIKA TÁRGYA... 4 ALAPFOGALMAK... 5 A nemzetközi mértékegységrendszer (SI) alapegységei... 5 Mértékegységek többszörösei és tört részei (prefixumok)... 5 Skalár és vektormennyiségek... 5 A testek tehetetlensége, a tömeg... 5 A sűrűség... 5 A testek kölcsönhatása, az erő... 6 A nehézségi erő... 6 A lendület, a forgatónyomaték, a perdület... 6 A mechanikai munka... 7 A teljesítmény... 7 A mechanikai energia... 7 A rezgő mozgás, a rezgő mozgást jellemző mennyiségek... 7 Rezgéstípusok... 8 Kényszerrezgés, a rezonancia... 8 Mechanikai hullám... 8 A hullámhossz... 8 A hullám terjedési sebessége... 9 Hullámtípusok... 9 Hullámterjedési jelenségek... 9 A hang A Doppler-hatás A hangintenzitás (hangerősség) Az ultrahang előállítása Halmazállapotok jellemzése A diffúzió A nyomás A hidrosztatikai nyomás A légnyomás Archimédesz törvénye Pascal törvénye Áramló folyadékok és gázok A hő, a hőmérséklet A Celsius és a Kelvin hőmérsékleti skála A hőmérséklet mérése, hőmérők A hővezetés, a hőáramlás, a hősugárzás Az elektromos töltésmennyiség Az elektromos tér Az elektromos potenciál Az elektromos feszültség Egyenfeszültség, váltakozófeszültség A fémek szerkezete Vezetők, szigetelők, félvezetők Az elektromos áram Egyenáram, váltakozó áram Az áramerősség A áram hatásai

3 A kondenzátor Az elektromos ellenállás Ohm törvénye A voltmérő Az ampermérő A mágneses tér Az elektromágnes A mágneses tér erővonalai A mágneses indukcióvektor A Lorentz erő Elektromágneses hullámok Az elektromágneses sugárzás Az elektromágneses spektrum A röntgensugárzás A fény jellemzői A foton A fényvisszaverődés és törvényei A fénytörés, a törésmutató A teljes visszaverődés Az optikai szál A diszperzió (színszóródás) A színkeverés A fényinterferencia A polarizált fény Lencsék, gyűjtőlencsék, szórólencsék A törőképesség A lézer Az atom szerkezete A rendszám, a neutronszám, a tömegszám Izotópok Az atomi tömegegység Elemi részecskék jellemzői A Bohr atommodell Az erős kölcsönhatás A radioaktivitás Atommagsugárzások A radioaktív sugárzások biológiai hatása Dozimetria A gradiens A koncentráció gradiens Az elektrokémiai potenciálgradiens AZ ÉLETFOLYAMATOK BIOFIZIKAI ALAPJELENSÉGEI AZ INGERÜLET SZENZOROS MŰKÖDÉSEK AZ IZOMMŰKÖDÉS A KERINGÉS A szívritmus szabályozó (pacemaker) és a defibrillátor A LÉGZÉS A LÁTÁS BEVEZETÉS AZ ELEKTROTERÁPIA

4 Tüneti kezelés galvánáramokkal Tüneti kezelések ingeráramokkal Tüneti kezelések középfrekvenciás áramokkal Harántcsíkolt és simaizom-stimuláció Mágneses tér kezelések Darsonvalisatio Diatermiás kezelés Rövidhullámú kondenzátortér kezelés Mikrohullámú elektromágneses sugárzás Ultranagy frekvenciás kezelés A FOTOTERÁPIA A napfény és a helioterápia Infravörös sugárzás Látható fény kezelés Ultraibolya sugár kezelés Lézerkezelések A MECHANOTERÁPIA A gyógytorna Masszázskezelések Ultrahangkezelés A TERMOTERÁPIA A HIDROTERÁPIA ENDOSZKÓPOS VIZSGÁLATOK ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK AZ ULTRAHANGOS DIAGNOSZTIKA A RÖNTGENFELVÉTEL A CT (SZÁMÍTÓGÉPES TOMOGRÁFIA) AZ NMR (MAGMÁGNESES REZONANCIA) ÉS AZ MRI (MÁGNESES REZONANCIÁS KÉPALKOTÁS). 43 A PET (POZITRONEMISSZIÓS TOMOGRÁFIA) BIOELEKTROMOS VIZSGÁLATOK AZ EKG (ELEKTROKARDIOGÁFIA) AZ EEG (ELEKTROENKEFALOGRÁFIA) AZ ENG (ELEKTRONEUROGRÁFIA) AZ EMG (ELEKTROMIOGRÁFIA) FELHASZNÁLT FORRÁSOK

5 A BIOFIZIKA TÁRGYA A biofizika az élő szervezetek és az életfolyamatok fizikája, a biológiai folyamatok leírása a fizika nyelvén. A biofizika az élő anyagot vizsgálja a fizika módszereivel. A fizika fejlődésével olyan módszerek alakultak ki, melyek lehetővé tették az anyag szerkezetének vizsgálatát a molekulák, az atomok, az elektronszerkezet szintjén. Ezek a vizsgálati módszerek alkalmazásra kerültek a szervezet, a szövetek, a sejtek, a molekulák szintjén a biológiai anyagok esetén is. A biofizikai módszerek különböznek a fizikai módszerektől, mert a biológiai anyag életjelenségeket mutat, szerkezete állandóan változik. Ezért a biofizikai szerkezetvizsgálati módszereket úgy kellett kifejleszteni, hogy követni tudják az időbeli változásokat is. A biofizikában sok mérésre van szükség a pontos eredmények elérésének az érdekében, mert az azonos egyedhez, vagy szövethez tartozó tárgyai a vizsgálatoknak is különböznek egymástól. A biológiai objektumok vizsgálata során ezért először a szerkezet egy adott állapotban való meghatározása történik, majd ezután következik az időbeli változások egymásutániságának a felderítése. A cél a molekuláris szintű szerkezet és működés megismerése. A biofizika állandóan korszerűsödik a biológia és a fizika folyamatos fejlődésének köszönhetően. A biofizika a biológián és a fizikán kívül más tudományokkal is szoros kapcsolatban áll, mint például a kémia, biokémia, informatika. A fizika különböző területeinek megvannak a biológiai, orvosi alkalmazásai is. 4

6 ALAPFOGALMAK A nemzetközi mértékegységrendszer (SI) alapegységei Alapegység Jele Fizikai mennyiség Jele méter m hosszúság s másodperc s idő t kilogramm kg tömeg m amper A áramerősség I kelvin K hőmérséklet T kandela cd fényerősség I mól mol anyagmennyiség n Mértékegységek többszörösei és tört részei (prefixumok) Többszörös Jele Váltószám Tört rész Jele Váltószám deka- da 10 deci- d 10-1 hekto- h 10 2 centi- c 10-2 kilo- k 10 3 mili- m 10-3 mega- M 10 6 mikro- μ 10-6 giga- G 10 9 nano- n 10-9 tera- T piko- p Skalár és vektormennyiségek A fizika mennyiségek a következő két nagy csoportra oszthatók: skalármennyiségek vektormennyiségek A skalármennyiségek egyetlen számadattal (nagysággal) jellemezhetők. pl.: idő, tömeg, térfogat, hőmérséklet A vektormennyiségek egy számadattal (nagysággal) és egy iránnyal jellemezhetők. pl.: elmozdulás, sebesség, gyorsulás, erő Jelölés: x, ahol x a fizikai mennyiség betűjele. A vektorokat irányított szakaszokkal (nyilakkal) ábrázoljuk. A testek tehetetlensége, a tömeg A tehetetlenség törvényének értelmében minden test megőrzi nyugalmi helyzetét, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgását (mozgásállapotát), mindaddig, amíg ezt egy másik test vagy mező meg nem változtatja. A tömeg a testek tehetetlenségét jellemző mennyiség, a testek tehetetlenségének a mértéke. Jele: m, [m] = kg A tömeg számszerűen kifejezi azt, hogy egy test mennyire tehetetlen. A sűrűség A sűrűség megadja az egységnyi térfogatú test tömegét. 5

7 Jele: ρ (ró), [ρ] = kg/m 3 Kiszámítási képlete: m ρ V ρ sűrűség m tömeg V térfogat A testek kölcsönhatása, az erő Ha egy test hat egy másik testre, a másik is visszahat az elsőre (ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú erővel). A testek kölcsönös egymásra hatása a kölcsönhatás. Az erő a testek kölcsönhatásának a mértéke. Az erő a testek mozgásállapot-változását (sebességváltozását) okozó hatás. Jele: F, [ F ] = N (newton) A nehézségi erő A nehézségi erő a Föld részéről a környezetében található testekre ható gravitációs vonzóerő. Ez az erő (megközelítőleg) a Föld középpontja felé mutat. Egy test súlya az az erő, amellyel a test nyomja az alátámasztást, vagy húzza a felfüggesztést. Jele: G, [ G ] = N Kiszámítási képlete: G m g G súly m tömeg g gravitációs gyorsulás (g = 9,81m/s 2 ) A gravitációs gyorsulás az a gyorsulás, amellyel a szabadon eső testek rendelkeznek, amennyiben a légellenállás nem befolyásolja mozgásukat. Valamely testre ható nehézségi erő nagysága, és annak súlyának nagysága megegyezik. Súlytalanság: a súlytalanság állapotában a testek nem nyomják az alátámasztást, és nem húzzák a felfüggesztést. A szabadon eső testek a súlytalanság állapotában vannak. A tömeg és a súly közötti különbség: a tömeg: a testek tehetetlenségét jellemzi, kilogrammban mérjük a súly: egy erő, newtonban mérjük Valamely test súlya függ a gravitációs körülményektől (pl. különbözik a Földön és a Holdon), tömege viszont minden körülmények között ugyanakkora. A lendület, a forgatónyomaték, a perdület A lendület a testek mozgásállapotát jellemző mennyiség, amely a tömeg és a sebesség szorzataként értelmezett. A forgatónyomaték valamely erő forgatóhatását jellemző mennyiség, mely az erő és annak forgástengelytől mért távolságának a szorzataként értelmezett. A perdület valamely test forgásállapotát jellemző mennyiség, amely a test lendület-nyomatéka. 6

8 A mechanikai munka Egy erő akkor végez munkát, ha a test, amelyre hat elmozdul a hatására. Jele: W, [W] = J (joule) Egy erő akkor nem végez munkát, ha a test, amelyre hat nem mozdul el a hatására. A teljesítmény A teljesítmény a munkavégzés sebességét jellemző fizikai mennyiség. A teljesítmény megadja azt, hogy egy erő egy másodperc alatt mennyi munkát végez. Jele: P, [P] = W (watt) A mechanikai energia Az energia a testek munkavégző képességét jellemző fizikai mennyiség. Ha egy test bármilyen okból kifolyólag munkavégzésre képes, energiával rendelkezik. Jele: E, [E] = J (joule) A rezgő mozgás, a rezgő mozgást jellemző mennyiségek Rezgő mozgást végző test a nyugalmi (egyensúlyi) helyzetéhez viszonyítva szimmetrikusan mozog, és mozgása azonos időközönként megismétlődik. nyugalmi helyzet A periódusidő egy teljes rezgés elvégzéséhez szükséges idő. Jele: T, [T] = s A frekvencia az egy másodperc alatt elvégzett rezgések száma. Jele: f, [f] = 1/s = Hz (hertz) f T 1 A kitérés a test aktuális és nyugalmi helyzete közötti távolság. Az amplitúdó a test nyugalmi helyzete és valamelyik szélső helyzete közötti távolság (a test legnagyobb kitérése). A fázis a rezgésállapotot jellemzi. Megadja azt, hogy a rezgő test egy teljes rezgés hányad részét teljesítette egy adott időpontig. Egy teljes rezgésnek megfelel 2 π radián fázisérték. A fáziskülönbség két rezgés között megadja azt, hogy egy teljes rezgés hányad részével előzi meg egyik rezgés a másikat. 7

9 Rezgéstípusok Csillapított rezgés esetén az amplitúdó a rezgés során csökken. kitérés idő Csillapítatlan rezgés estén az amplitúdó a rezgés során nem változik meg kitérés idő Kényszerrezgés, a rezonancia Kényszerrezgés esetén a test azonos időközönként ismétlődő (periodikus) külső hatásra végez rezgő mozgást. Kényszerrezgés esetén a rezgés frekvenciája megegyezik a külső hatás frekvenciájával. Kényszerrezgés esetén ha a külső hatás frekvenciája megegyezik a rezgő test saját frekvenciájával, akkor fellép a rezonancia jelensége, melynek során a rezgés amplitúdója maximális. Mechanikai hullám A mechanikai hullám a rezgő mozgás továbbterjedési folyamata rugalmas anyagban. A hullám terjedésekor az anyag részecskéi nem végeznek haladó mozgást, csak rezgő mozgást, amely részecskéről részecskére adódik át. A hullámhossz A hullámhossz az a távolság, amelyre a hullámforrás egy teljes rezgésideje alatt eljut a rezgő mozgás. A hullámhossz két egymáshoz legközelebb lévő, azonos módon rezgő részecske közötti távolság. Jele: λ (lambda), [λ] = m 8

10 λ A hullám terjedési sebessége A hullám terjedési sebessége az a sebesség amellyel a rezgő mozgás továbbterjed az illető anyagban (közegben). v sebesség λ v λ hullámhossz T T periódusidő vagy Hullámtípusok v λ f f frekvencia Transzverzális (kereszt irányú) hullámok esetén a részecskék rezgési iránya merőleges a hullámterjedés irányára. λ részecskék rezgési iránya hullámterjedés iránya pl.: víz felszínén terjedő hullám Longitudinális (hosszanti irányú) hullámok esetén a részecskék rezgési iránya párhuzamos a hullámterjedés irányával. pl.: hang részecskék rezgési iránya Hullámterjedési jelenségek hullámterjedés iránya Hullám-visszaverődés: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám elér egy határfelülethez, amely két anyagot elválaszt egymástól, majd onnan visszatér eredeti terjedési közegébe, és ott folytatja tovább az útját. Hullámtörés: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám elér egy határfelülethez, amely két anyagot elválaszt egymástól, majd azon áthaladva megváltoztatja terjedési irányát. A jelenség oka az, hogy a hullámok a különböző anyagokban különböző sebességgel terjednek. 9

11 10 Biofizika jegyzet Hullámelhajlás: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám akadály mellett elhaladva, vagy résen keresztülhaladva megváltoztatja terjedési irányát. A hullámelhajlás mértéke rés esetén függ a rés hullámhosszhoz viszonyított nagyságától (legnagyobb mértékű, ha a két távolság egymással összemérhető). Interferencia (hullámtalálkozás): az a jelenség, melynek során két (vagy több) azonos hullámhosszúságú hullám a tér egy adott pontjában találkozik és egymásra tevődik, erősítve vagy gyengítve egymást. A hang A hang egy longitudinális mechanikai hullám. A hang nem terjed légüres térben. A hang frekvencia szerinti osztályozása: infrahang: f < 20Hz hallható hang: 20Hz < f < Hz ultrahang: f > Hz A hang terjedési sebessége: levegőben: 340m/s vízben: acélban: A Doppler-hatás 1400m/s 5100m/s A Doppler-hatás, a megfigyelőhöz viszonyítva mozgásban levő hangforrás, vagy a hangforráshoz viszonyítva mozgásban levő megfigyelő esetén jelentkezik. Ha a hangforrás és a megfigyelő közelednek egymáshoz a hang frekvenciája megnő (a hang magasabbá válik), ha távolodnak egymástól a frekvenciája lecsökken (a hang mélyebbé válik). A frekvencia eltolódás mértéke függ a hangforrás és a megfigyelő egymáshoz viszonyított sebességétől. A hangintenzitás (hangerősség) A hangintenzitás megadja az egységnyi felületen egységnyi idő alatt merőlegesen átáramlott hangenergia mennyiségét. Jele: I, [I] = W/m 2 A hangintenzitás decibel-ben (db) fejezhető ki, amely az adott hang intenzitásának a hallásküszöb hangintenzitásához való viszonyát adja meg. A hallásküszöb I 0 = W/m 2 (tapasztalati úton megválasztott érték). I LI 10lg (decibel) I A logaritmusos skálát a hangforrások teljesítményének nagyon széles tartománya (12-13 nagyságrend) miatt volt célszerű bevezetni. Az ultrahang előállítása Az ultrahang előállítása jellemzően az elektrostrikció és a magnetostrikció jelenségén alapul. 0

12 A piezoelektromosság bizonyos kristályok azon tulajdonsága, hogy mechanikai hatásra feszültség jelenik meg bennük. Ez a hatás meg is fordítható. Az elektrostrikció az a jelenség, melynek során egy kristály feszültség hatására rugalmas alakváltozást szenved. Ilyen kristály például a kvarc. Piezoelektromos kristályok segítségével, nagyfrekvenciás feszültség alkalmazásával, ultrahang állítható elő. A magnetostrikció az a jelenség, melynek során bizonyos mágneses anyagok, mágneses térben megváltoztatják alakjukat. Ilyen anyagok segítségével, nagyfrekvenciával változó mágneses tér felhasználásával ultrahang állítható elő. Ilyen anyag például a nikkel. Az ultrahang passzív alkalmazása során kis energiájú ultrahangot alkalmaznak távolság mérésre, vizsgálatok elvégzésére. Az aktív alkalmazás esetén nagy energiájú ultrahangot használnak kémiai reakciók, vagy biológiai folyamatok serkentésére, baktériumok elpusztítására. A gyógyászatban az ultrahang előállítására, illetve érzékelésére az elektrostrikció jelenségét alkalmazzák a transzducernek nevezett ultrahangos fejegység esetében. Halmazállapotok jellemzése A szilárd halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék helyhez kötöttek, nem végeznek haladó mozgást az anyag belsejében, csak rezgő mozgást végeznek egy pont körül. A szilárd anyagok rendelkeznek saját alakkal és saját térfogattal. A folyékony halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék nincsenek helyhez kötve, rendezetlen (össze-vissza) mozgást végeznek az anyag belsejében. A folyadékokat alkotó részecskék közel találhatók egymáshoz a közöttük ható vonzóerők miatt. A folyadékok nem rendelkeznek saját alakkal, de rendelkeznek saját térfogattal. A folyadékok összenyomhatatlanok (gyakorlatilag csak roppant kismértékben nyomhatóak össze). A légnemű (gáz, gőz) halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék nincsenek helyhez kötve, rendezetlen mozgást végeznek, és tetszőleges távolságra eltávolodhatnak egymástól (közöttük nem hatnak vonzóerők). A légnemű halmazállapotú anyagok nem rendelkeznek sem saját alakkal, sem saját térfogattal, kitöltik a rendelkezésükre álló teret. A plazma állapot olyan légnemű állapot, amelynek esetében az anyagot alkotó részecskék nem semlegesek elektromos szempontból (mint a légnemű anyagok esetében), hanem töltéssel rendelkeznek. A plazma állapot ionizált gázállapot. A plazmát pozitív töltésű ionok és negatív töltésű elektronok alkotják. Mivel a plazma töltött részecskékből áll, elektromos és mágneses tulajdonságai jelentősen eltérnek a légnemű anyagokéitól. A diffúzió A diffúzió az a jelenség, melynek során két, vagy kettőnél több különböző fajta gáz (vagy folyadék) külső hatás nélkül összekeveredik. A diffúziót az anyagok koncentrációkülönbsége miatt kialakuló részecskeáramlás okozza. A folyamat a koncentrációkülönbség megszűnéséig tart. 11

13 A nyomás A nyomás megadja az egységnyi felületre (1 négyzetméter) ható erő nagyságát. Jele: p, [p] = N/m 2 = Pa (pascal) Kiszámítási képlete: p F A p nyomás F erő A terület A hidrosztatikai nyomás A hidrosztatikai nyomás valamely (nyugalomban lévő) folyadékoszlopban jelen levő, a folyadék súlyából származó nyomás. A hidrosztatikai nyomás nagysága függ: a folyadék sűrűségétől a folyadékoszlop magasságától a gravitációs tér erősségétől Kiszámítási képlete: A légnyomás p ρ g h A légnyomás a Földet körülvevő levegőréteg súlyából származó nyomás. A légnyomás értéke függ: a tengerszinttől mért magasságtól 12 p hidrosztatikai nyomás ρ sűrűség g gravitációs gyorsulás (g 10 m/s 2 ) h a folyadékoszlop magassága a levegő páratartalmától A légnyomás számértéke a tengerszinttől mért magasság növekedésével csökken (ugyanis csökken a levegőoszlop magassága, tehát csökken annak súlya is). A légnyomás értéke tengerszint magasságában: Pa (= 1 atmoszféra = 760 Hgmm) Archimédesz törvénye Minden folyadékba, vagy gázba merülő testre hat egy függőlegesen felfelé irányuló erő, amelynek nagysága megegyezik az illető test által kiszorított folyadék-, vagy gázmennyiség súlyával. Pascal törvénye Folyadékokra gyakorolt külső nyomás a folyadékban gyengítetlenül továbbterjed (jelen lesz annak minden pontjában) és annak valamely pontjában a nagysága minden irányban ugyanakkora. Áramló folyadékok és gázok Az áramló folyadékok és gázok nyomása kisebb, mint az ugyanolyan körülmények között levő nyugalomban levőké. A nyomáscsökkenés mértéke függ:

14 az áramlás sebességétől a sűrűségtől A hő, a hőmérséklet A hő a termikus kölcsönhatás során bekövetkező energiaváltozás mértéke. Jele: Q, [Q] = J A hőmérséklet a testek hőállapotát számszerűen jellemző mennyiség. Jele: T, [T] = K (kelvin) Valamely test hőmérséklete az azt alkotó részecskék mozgásának hevességével kapcsolatos. A magasabb hőmérséklet hevesebb rezgő, vagy gyorsabb haladó mozgását, míg az alacsonyabb hőmérséklet kevésbé heves rezgő, vagy lassabb haladó mozgását jelenti a részecskéknek. A hőmérséklet egy állapotot jellemez, míg a hő egy folyamatot. A Celsius és a Kelvin hőmérsékleti skála A Celsius-skála alsó határa a -273 C, jele: t, [t] = C A Kelvin-skála alsó határa a 0K (abszolút nulla fok), jele: T, [T] = K A két skála közötti különbség az alsó határ értékében van, a két skála el van tolva egymáshoz képest 273 egységgel. A két skála közötti átalakítási képlet: T t 273 A hőmérséklet mérése, hőmérők A testek hőmérséklete hőmérőkkel mérhető. A mérés alapjául szolgálhat például az anyagok hőtágulása, vagy az elektromos ellenállás változása a hőmérséklet változásával. A hagyományos hőmérőkben olyan folyadék található, amely a mérési tartományon belül folyékony halmazállapotú marad. Erre leggyakrabban az alkoholt és a higanyt használják. A hőmérő egy kis keresztmetszetű üvegcsővel ellátott tartályból és az ehhez tartozó skálából áll. A hőmérséklet változásakor a folyadék megváltoztatja térfogatát, ami miatt megváltozik a csőben a folyadékszint. A folyadék (és így a hőmérővel kapcsolatban levő test) hőmérséklete a skáláról olvasható le (a folyadék felszínével egyvonalban levő érték). A digitális hőmérők az elektromos ellenállás változását mérik. A mért analóg jelek digitálisakká kerülnek átalakításra, majd ezek alapján történik az érték kijelzése. A hővezetés, a hőáramlás, a hősugárzás Hővezetés esetén az energia részecskéről részecskére átadódva terjed. A folyamat során nincs anyagáramlás (részecskeáramlás). A hővezetés a szilárd anyagokra jellemző. Hőáramlás esetén az energiát a részecskék a hőforrástól felveszik, elszállítják, majd leadják. A folyamat során van anyagáramlás (részecskeáramlás). A hőáramlás folyadékokra és gázokra jellemző. Hősugárzás esetén az energiaátadás elektromágneses sugárzás formájában történik. Hősugárzás esetén nincs szükség közegre az energia átadásához (pl.: a Nap melegíti a Földet). 13

15 Az elektromos töltésmennyiség A testek töltöttségének a mértékét jellemző mennyiség. Jele: Q, [Q] = C (coulomb) Egy proton töltése: 1, C; egy elektron töltése: -1, C. Egy coulombnyi töltésmennyiségnek körülbelül számú proton töltése felel meg. Az elektromos tér Az elektromos tér a töltött testek azon környezete, ahol az elektromos hatás érvényesül. Az elektromos tér: nem érzékelhető kimutatható töltött test segítségével kölcsönhatást közvetít a töltött testek között a töltött testtől távolodva csökken az erőssége Az elektromos tér jellemezhető az erővonalakkal. Ezek olyan görbék, melyek mentén egy töltött test elmozdul. Az erővonalak a pozitív töltésen kezdődnek, a negatívon végződnek, és nem metszik egymást. Az elektromos potenciál Az elektromos potenciál az elektromos tér munkavégző képességét jellemző mennyiség. Az elektromos tér adott pontjának a potenciálja megegyezik azzal a munkával, amelyet a tér végez akkor, amikor egy coulombnyi töltésmennyiséget elmozdít az adott pontból a végtelenbe (vagy egy tetszőleges, nullapotenciálúnak választott pontba). Jele: U, [U] = V (volt) Az elektromos feszültség Az elektromos feszültség az elektromos tér két pontja közötti potenciálkülönbség. Az elektromos tér két pontja közötti feszültség egyenlő azzal a munkával, melyet a tér végez akkor, amikor egy coulombnyi töltésmennyiséget elmozdít a két pont között. Jele: U, [U] = V (volt) Két töltött test közötti feszültség a testek közötti töltéskülönbséget jellemzi. Egyenfeszültség, váltakozófeszültség Egyenfeszültség esetén a feszültségforrás pozitív sarka mindig pozitív, negatív sarka mindig negatív marad (a sarkok nem cserélődnek fel az idő múlásával). Váltakozófeszültség esetén a feszültségforrás pozitív és negatív sarka azonos időközönként ismétlődve felcserélődik (a hálózati 230V-os, 50Hz-es frekvenciájú feszültség esetén másodpercenként 100-szor). A fémek szerkezete A fémeket helyhez kötött pozitív töltésű ionok és az ezek között szabadon mozgó negatív töltésű elektronok alkotják. 14

16 ionok elektronok A szabad elektronok jelenléte okozza azt, hogy a fémek jól vezetik az elektromosságot. Vezetők, szigetelők, félvezetők A vezetők olyan anyagok, melyekben jelen vannak szabad töltéshordozók (elektronok, ionok), melynek következtében ezek jól vezetik az elektromosságot. A szigetelők olyan anyagok, melyekben nincsenek jelen szabad töltéshordozók, ezért ezek rosszul vezetik az elektromosságot. A félvezetők olyan anyagok, melyekben szobahőmérsékleten találhatók szabad elektronok, de ezek száma függ a hőmérsékletétől. A hőmérséklet növekedésével a szabad elektronok száma növekszik, a félvezető ellenállása csökken (ellentétben a vezetőkkel). A legismertebb félvezetők a szilícium és a germánium. A félvezetőket adalékolják (szennyezik) olyan atomokkal, melyeknek eggyel több, vagy kevesebb elektronja van a külső elektronhéjon, mint a félvezetőnek (5 vagy 3), így létrehozva n-, illetve p- típusú félvezetőt. Az elektromos áram Az elektromos áram az elektronok rendezett mozgása a fémekben. Mivel áram nem csak fémekben folyhat (hanem például folyadékokban, vagy gázokban is), általánosabb megfogalmazásban az áram a töltéshordozók rendezett mozgása valamilyen anyagban. Az áramkörökben az áram az áramforrás pozitív sarka felől folyik a negatív felé (az elektronok ezzel ellentétes irányba mozognak a vezetőben). Egyenáram, váltakozó áram Egyenáram esetén az elektronok mozgási iránya a vezetőben nem változik meg (az elektronok a vezetőben mindig ugyanabba az irányba haladnak). Váltakozó áram esetén az elektronok mozgási iránya a vezetőben azonos időközönként ismétlődve ellentétesre változik (az elektronok rezgő mozgást végeznek a vezetőben). Az áramerősség Az áramerősség megadja azt, hogy egy vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt mekkora mennyiségű töltés halad keresztül. Jele: I, [I]=A (amper) A áram hatásai Hőhatás: Az árammal átjárt vezetők a bennük folyó áram hatására felmelegszenek. A felmelegedés mértéke függ a vezető keresztmetszetétől és a vezetőben folyó áram erősségétől. 15

17 Alkalmazás: vasaló, izzó, olvadó biztosíték, villanyrezsó, kenyérpirító, stb. Mágneses hatás: Az árammal átjárt vezetők környezetében mágneses tér van jelen. A mágneses tér erőssége függ a vezetőben folyó áram erősségétől. Alkalmazás: elektromágnes, hangszóró, villanymotor, stb. Kémiai (vegyi) hatás: Árammal átjárt folyadékból, a folyadékba helyezett elektródoknál anyag válik ki az áram hatására. Alkalmazás: elektrolízis (pl. a víz felbontása H 2 -re és O 2 -re), fémek védőréteggel történő bevonása, stb. Biológiai hatás: Az élő szervezetekben az áram izomreakciókat válthat ki és égési sérüléseket okozhat. Kellően nagy erősségű áram halálos is lehet. A nagyfrekvenciájú áram a vezető (a test) felületén folyik, nem annak belsejében, így ilyen esetekben nem vált ki izomreakciót (Skin-hatás). A kondenzátor A kondenzátor két, egymással párhuzamosan elhelyezett fémlemezből áll, melyek egymástól el vannak szigetelve. A fémlemezek a fegyverzetek, a közöttük található szigetelő anyag a dielektrikum. A kondenzátor fegyverzetein töltések halmozhatók fel. A töltésbefogadó képessége a kondenzátornak a kapacitása. A kapacitás mértékegysége a farad. Az elektromos ellenállás A vezetők akadályozzák a bennük folyó áramot, gátolják a töltéshordozók mozgását. Az elektromos ellenállás kifejezi azt, hogy egy vezető milyen mértékben akadályozza a benne folyó áramot. Jele: R, [R]=Ω (ohm) (Ω omega) Adott fémvezeték elektromos ellenállása függ: az anyagi minőségétől a keresztmetszetétől a hosszúságától a hőmérsékletétől (növelve a fém hőmérsékletét ellenállása megnő, csökkentve azt, ellenállása lecsökken) A szupravezetés bizonyos fémek és más összetett vegyületek azon tulajdonsága, hogy kellően alacsony hőmérsékleten elektromos ellenállásuk nullára csökken. Az anyag fajtájától függően ez jellemzően -170 C alatti hőmérsékleten jön létre. Ebben az állapotában az anyag kitaszítja magából a mágneses teret. Nagy erősségű elektromágnesekben szupravezető anyagokat alkalmaznak. Ohm törvénye Kapcsolatot teremt egy vezető (fogyasztó) ellenállása, a rá kapcsolt feszültség és a benne folyó áram erőssége között. U I R I áramerősség U feszültség R elektromos ellenállás Egy vezetőben folyó áram erőssége egyenesen arányos a rá kapcsolt feszültséggel és fordítottan arányos a vezető elektromos ellenállásával. 16

18 A voltmérő Feszültségmérésre alkalmas eszköz. Használatakor, az áramkörbe a fogyasztóval (fogyasztókkal) párhuzamosan kell kapcsolni. Elektromos ellenállása nagy, az áramkörben található fogyasztó (fogyasztók) ellenállásához viszonyítva. Az ampermérő Áramerősség mérésre alkalmas eszköz. Használatakor, az áramkörbe a fogyasztóval (fogyasztókkal) sorosan kell kapcsolni. Elektromos ellenállása kicsi, az áramkörben található fogyasztó (fogyasztók) ellenállásához viszonyítva. A mágneses tér R U R U I I A mágneses teret az elektronok rendezett mozgása hozza létre. Az egyes anyagok mágneses tulajdonsága az elektronok atomon belüli mozgására vezethető vissza. A mágneses tulajdonságot mutató (mágnesezhető) fémek a vas, a nikkel és a kobalt. Az anyagok mágneses tulajdonsága hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével az illető anyag mágnesezettsége csökken, és kellően magas hőmérsékleten ez meg is szűnik. Az elektromágnes Az elektromágnes estén a mágneses teret elektromos áram hozza létre. Az elektromágnes egy tekercsből és egy vasmagból áll. Az elektromágnes tekercse hozza létre a mágneses teret, melyet a tekercs belsejében elhelyezett vasmag magába sűrít. Az elektromágnes mágneses terének erőssége az áramerősség változtatásával széles tartományban változtatható. A mágneses tér erővonalai A mágneses tér jellemezhető az erővonalaival, amelyek olyan zárt görbék, melyek a mágnes északi pólusából indulnak ki és a délibe érkeznek. Ezek zárt vonalak, melyek a mágnes belsejében is folytatódnak. Az erővonalakat pl. vasreszelékkel lehet szemléltetni (láthatóvá tenni). A homogén mágneses tér esetén az erővonalak egyenesek, egymással párhuzamosak és egyenlő távolságra találhatók egymástól. A mágneses indukcióvektor A mágneses tér jellemezhető egy fizikai mennyiséggel, a mágneses indukcióvektorral. Jele: B ; [ B ] = T (tesla) Egy másik mértékegysége a gauss (1T = 10000gauss). 17

19 Az indukcióvektor nagysága a mágneses tér erősségét, irány a mágneses tér erővonalait jellemzi. Néhány példa a mágneses tér erősségére: Föld: hűtőmágnes: 0,05mT 100mT ferrit mágnes: 0,35T neodímium mágnes: 1-1,4T MRI: 1-3T LHC szupravezető dipól mágnesei: 8,3T A Lorentz erő Mágneses térben mozgó elektromosan töltött testre, valamint mágneses térben található árammal átjárt vezetőre erő hat, a Lorentz erő. Elektromágneses hullámok Változó erősségű mágneses tér a környezetében elektromos teret kelt. Változó erősségű elektromos tér a környezetében mágneses teret kelt. Az elektromágneses tér változó erősségű elektromos és mágneses terekből tevődik össze, melyek kölcsönösen létrehozzák egymást. Az elektromágneses térnek a gyorsuló elektromos töltésről leváló és attól függetlenül a térben terjedő formája az elektromágneses hullám. Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége egyenlő a fénysebességgel: légüres térben (vagy levegőben): c = km/s. Elektromágneses hullámok esetén az elektromos és a mágneses terek változási síkjai egymásra merőlegesek. B E E terjedési irány Az elektromágneses sugárzás Elektromágneses sugárzást (hullámot) gyorsuló, töltéssel rendelkező részecskék bocsátanak ki. Elektromágneses sugárzást (rádióhullámokat) bocsátanak ki az antennák, melyekben az elektronok rezgő mozgást végeznek. Elektromágneses sugárzást (fényt) bocsátanak ki az atomok elektronjai, azt követően, hogy az atomok valamilyen formában energiát kaptak. Elektromágneses sugárzást (röntgensugárzást) bocsátanak ki a hirtelen lefékeződő nagy sebességű elektronok. 18

20 Elektromágneses sugárzást (gamma sugárzást) bocsátanak ki az atommagok magátalakulásokkor. Az elektromágneses spektrum Megnevezés Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Hosszúhullámok > 1000 < Középhullámok , Átmeneti hullámok , Rövidhullámok Ultrarövid hullámok Mikrohullámok 0, Infravörös fény Látható fény Ultraibolya fény Röntgensugarak Gammasugarak Kozmikus sugarak < > A fenti adatok csak tájékoztató jellegűek, a tartományok között nem húzható éles határ, azok részben fedik egymást. A röntgensugárzás Röntgensugárzást bocsátanak ki a fémnek ütköző nagy sebességű elektronok, miközben lelassulnak (fékezési sugárzás). Röntgensugárzást bocsátanak ki azok a fématomok, melyeknek nagyenergiájú elektronok ütköznek. Ekkor a becsapódó elektron az atom belső elektronhéjáról kiüt egy elektront, melynek helyére egy másik elektron ugrik egy külsőbb héjról, miközben elektromágneses sugárzást bocsát ki. A fény jellemzői kettős természetű: elektromágneses hullám és részecske terjedéskor elektromágneses hullámként, az anyaggal történő kölcsönhatásakor részecskeként (foton) viselkedik egyenes vonal mentén terjed terjedési sebessége légüres térben (vagy levegőben): c = km/s más átlátszó anyagban sebessége kisebb; pl.: vízben: km/s, üvegben: km/s hullámhossz tartománya: 760nm - 380nm A foton A fény az energiát nem folytonosan, hanem adagokban (kvantumokban) szállítja (ezért az energia kibocsátás és elnyelés is csak adagokban történhet). A foton az elektromágneses tér legkisebb energiaegysége. Nyugalmi tömege 0, és csakis fénysebességgel terjedhet. Energiája: h f, ahol f a fény frekvenciája, h a Planck állandó (h = 6, J s). A fényvisszaverődés és törvényei A fényvisszaverődés az a jelenség, melynek során a fény egy határfelülethez érve amely két anyagot elválaszt egymástól visszatér eredeti terjedési közegébe. 19

21 beeső fénysugár visszavert fénysugár 1. anyag i i határfelület 2. anyag beesési merőleges i beesési szög, i visszaverődési szög I.: A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van. II.: A beesési és a visszaverődési szögek egymással egyenlők (i = i ). A fénytörés, a törésmutató A fénytörés az a jelenség, melynek során a fény egy határfelülethez érve - amely két átlátszó anyagot elválaszt egymástól átlép a második közegbe, úgy, hogy megváltozik terjedési iránya. A jelenség azért következik be, mert a fény a különböző anyagokban különböző sebességgel terjed. A törésmutató a fénytörés mértékét jellemző arányszám. Jele: n Kiszámítási képlete (abszolút törésmutató): n a a fény terjedési sebessége légüres fény terjedési sebessége az illető térben anyagban A törésmutató számértéke nem lehet 1-nél kisebb (n = 1 légüres tér, vagy levegő esetén). pl.: n víz = 1,33; n üveg = 1,5 Ha a fény kisebb törésmutatójú anyagból lép át nagyobb törésmutatójú anyagba (pl.: levegőből vízbe), akkor a törési szög (r) kisebb, mint a beesési (i), ha nagyobb törésmutatójú anyagból lép át kisebb törésmutatójú anyagba (pl.: vízből levegőbe), akkor a törési szög nagyobb, mint a beesési. A merőlegesen beeső fénysugár nem törik meg. beeső fénysugár beesési merőleges beesési merőleges megtört fénysugár i n1 pl. levegő r n2 pl. levegő 6 n2 pl. víz i n1 pl. víz megtört fénysugár beeső fénysugár A teljes visszaverődés Ha a fény nagyobb törésmutatójú anyagból lép át kisebb törésmutatójú anyagba, akkor a törési szög nagyobb, mint a beesési szög (ábra: 1-es és 2-es fénysugár). 20

22 Ha a beesési szög elér egy kellően nagy értéket, akkor a törési szög 90 lesz a fény nem lép át a második anyagba (ábra: 3-as fénysugár). Ez a beesési szög a határszög (l). Ha a beeső fénysugár beesési szöge kisebb, mint a határszög, akkor fénytörés jön létre, ha pedig nagyobb, akkor teljes visszaverődés (ábra: 4-es fénysugár). Teljes visszaverődés esetén a fény 100%-a visszaverődik a határfelületről n 2 pl. levegő határfelület l n 1 pl. víz Az optikai szál Az optikai szál egy könnyen hajlítható, nagy tisztaságú, átlátszó anyagból készült szál, mely fénytovábbításra alkalmas. Az optikai szálak a teljes visszaverődések sorozatának eredményeként továbbítják a fényt. Az optikai szálak egy nagyobb törésmutatójú magból és az ezt körülvevő kisebb törésmutatójú héjból állnak. A teljes visszaverődés a két réteg határfelületén megy végbe. A diszperzió (színszóródás) A fehér fény összetett, nagyon sok különböző színű fénysugárból tevődik össze. Fénytöréskor a különböző színű összetevők különböző mértékben törnek meg, így a fehér fény felbomlik összetevőire. Ez a jelenség a diszperzió vagy színszóródás. Prizma: egy háromszög alapú üveghasáb, melynek segítségével a fehér fény összetevőire bontható. ernyő fehér fénysugár prizma vörös narancs sárga zöld kék ibolya 21

23 A színkeverés A fehér fény színekre bontásakor keletkező színeket összekeverve (egymásra vetítve) visszakapható a fehér szín. A fehér fény összetevőiből elegendő három, a vörös a zöld és a kék színt megfelelő arányban összekeverni, a fehér szín előállításához. A három alapszín megfelelő arányú keveréséből bármilyen szín előállítható az additív (összeadó) színkeverés segítségével. A színkeverésnek egy másik módja a szubtraktív (kivonó) színkeverés, melynek alapszínei a cián, a sárga és a magenta. Ezen technika esetében a fehér fényből színszűrők segítségével adott komponenseket kell kivonni a kívánt szín előállításához. Az összeadó színkeverés az elektronikus megjelenítők esetében, a kivonó a nyomdatechnikában kerül alkalmazásra. A fényinterferencia Az a jelenség, melynek során ugyanazon fényforrásból származó két fénysugár a tér egy adott pontjában találkozik, és egymásra tevődik, erősítve, vagy gyengítve egymást. A kétréses interferencia: A fényforrás fényét két résen kell keresztülbocsátani, majd ernyőn felfogni, amelyen interferenciakép jelenik meg (világos és sötét sávok követik egymást). egyszínű fényforrás világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv Az ernyő adott pontjában találkozó fénysugarak útkülönbségének a hullámhosszhoz viszonyított mértéke befolyásolja azt, hogy az illető pontban világos, vagy sötét sáv jelenik meg. A polarizált fény A fény transzverzális hullám. A polarizált fény olyan fénysugarakból áll, melyek elektromos tere csak egy bizonyos síkban változik (nem pedig nagyon sok, bármilyen irányú síkban). pl. az üvegről bizonyos szögben visszaverődő fénysugarak polarizáltak, vagy bizonyos típusú LCD kijelzők polarizált fényt bocsátanak ki. Lencsék, gyűjtőlencsék, szórólencsék A lencsék olyan átlátszó anyagból készült optikai eszközök, melyeknek legalább az egyik felülete nem síkfelület, és melyek működése a fénytörésen alapul. A gyűjtőlencsék középtájon vastagabbak, a szélek felé pedig elvékonyodnak. 22

24 Jelölés: F O F optikai főtengely optikai főtengely a lencse szimmetriatengelye O pont optikai középpont F pont fókusz Az optikai főtengellyel párhuzamos fénysugarak a lencsén áthaladva úgy törnek meg, hogy keresztülmennek a fókuszon. F O F A szórólencsék középtájon vékonyabbak, a szélek felé pedig vastagabbak. Jelölés: F O F optikai főtengely Az optikai főtengellyel párhuzamos fénysugarak a lencsén áthaladva úgy törnek meg, hogy meghosszabbításaik keresztülmennek a fókuszon. 23

25 F O F A törőképesség A törőképesség a lencsék méterben megadott fókusztávolságának reciproka. Jele: D, [D] = 1/m (dioptria) 1 D f fókusztávolság (OF szakasz hossza) f A gyűjtőlencsék törőképessége pozitív, a szórólencséké negatív szám (mert a gyűjtőlencsék fókusztávolsága pozitív, a szórólencséké negatív). A lézer A lézer (LASER fényerősítés gerjesztett sugárzás kibocsátással) egy olyan fényforrás, amely egyszínű (monokromatikus), párhuzamos fénysugarakból álló fénynyalábot bocsát ki, melyben a fénysugarak fázisban vannak (koherensek). A lézerfény esetén az energia kis térrészbe koncentrálódik, ugyanis csak kismértékben széttartó a fénysugár, ezért nagy az energiasűrűsége. A lézer fényt elő lehet állítani megfelelő gáz, folyadék, vagy szilárd halmazállapotú anyag segítségével. A lézeranyag egy rezonátorban található, amely két, egymással párhuzamosan elhelyezett tükörből áll, melyek közül az egyik féligáteresztő. A lézeranyag atomjait gerjesztik (energiát adnak át nekik) fénnyel, vagy elektromos árammal. A kapott energiát az atomok fény formájában kisugározzák, amely a két tükör között oda vissza verődik, újabb fénykibocsátást eredményezve a lézeranyagban. A rezonátorból a fény egy része a féligáteresztő tükrön keresztül kilép. A lézerfény kibocsátás lehet folytonos, vagy impulzus üzemű. A lézerforrás által kibocsátott fény színe a lézeranyagtól függ. Vannak olyanok, melyek fénye nem esik a látható tartományba. A nagyobb teljesítményű lézerek sebészeti beavatkozásra (vágásra) is alkalmasak. Az atom szerkezete Az atomokat protonok, neutronok (együttesen nukleonok) és elektronok alkotják. Az atom központi részében, az atommagban találhatók a protonok (töltésük: +1) és a neutronok (töltésük: 0), míg az elektronok (töltésük: -1) az ezt körülvevő elektronfelhőben. 24

26 Az elektromosan semleges atomokban a protonok és az elektronok száma megegyezik. A rendszám, a neutronszám, a tömegszám Egy elem rendszáma megegyezik az atommagjában található protonok számával. Jele: Z Egy elem neutronszáma megegyezik az atommagjában található neutronok számával. Jele: N Egy elem tömegszáma megegyezik az atommagjában található protonok és neutronok számával. Jele: A A fenti három mennyiség között az alábbi összefüggés áll fenn: A Z N Az atomok a vegyjelükkel jelölhetők (mely általában az elem nevének első betűiből tevődik össze). A vegyjel mellett a bal felső sarokban a tömegszám, a bal alsó sarokban a rendszám található: A Z X. Pl.: O, Cl 17 Izotópok Az izotópok az azonos rendszámú de különböző tömegszámú atommagok (latinul: izo azonos, topos hely). Pl.: hidrogén ( 1 1 H ), deutérium ( 2 1 H ), trícium ( 3 1 H ) Az atomi tömegegység Az atomi tömegegység egyenlő a 12-es szénizotóp tömegének tizenketted részével. Jele: u, [u] = kg 1u = 1, kg Elemi részecskék jellemzői Részecske Tömeg (kg) Tömeg (u) Töltés Töltés (C) proton 1, , ( 1) +1 +1, neutron 1, , ( 1) 0 0 elektron 9, , ( 0) -1-1, A Bohr atommodell A modell értelmében az atom egy körülbelül m átmérőjű, pozitív töltésű magból áll, mely körül keringenek körpályákon az elektronok. Az elektronok mozgása a mag körül úgy képzelhető el, mint a bolygók mozgása a Nap körül. Az elektronokat az elektrosztatikus vonzóerő tartja körpályán a mag körül. Az egész atomnak az átmérője körülbelül m. Az atom rendelkezik kötött állapotokkal, melyekben nem nyel el és nem bocsát ki energiát (elektromágneses sugárzást fotont), illetve csak akkor nyel el vagy bocsát ki energiát, ha az egyik kötött állapotból egy másikba megy át. Az atom a különböző kötött állapotaiban különböző energiákkal rendelkezik. Energia felvételkor (gerjesztéskor) az atom valamely elektronja veszi fel jól meghatározott adagokban (kvantumokban) az energiát. 25

27 Kellően nagy energia hatására az elektron kívül kerül az atomon. Ebben az esetben az atom ionizálódik. A jelenleg elfogadott atommodell a kvantummechanikai modell, melynek értelmében az elektronok atomon belüli pontos helye nem, csak tartózkodási valószínűsége határozható meg. Az erős kölcsönhatás Az atommagban található protonok taszítják egymást (mivel töltéseik azonos előjelűek), ami az atommagot szét kellene lökje. A nukleonok között hat a gravitációs vonzóerő, de ennek nagysága jóval kisebb, mint az elektrosztatikus taszításé. Az atommagot alkotó nukleonok közötti, vonzásban megnyilvánuló kölcsönhatás az erős kölcsönhatásnak (ez tartja egyben az atommagot). Az erős kölcsönhatást a magerő közvetíti, amely erősen vonzó jellegű, töltésfüggetlen, nagyon rövid hatótávolságú. A radioaktivitás A radioaktivitás a nem stabil atommagok spontán bomlásának (külső hatás nélküli átalakulásának) folyamata. Ezen folyamat során az atommag különböző fajta sugárzásokat bocsát ki, miközben más atommaggá alakul. Radioaktív sugárzással, vagy neutronbesugárzással a nem radioaktív elemek is azzá tehetők (mesterséges radioaktivitás). Adott fajtájú radioaktív atommagok esetén másodpercenként mindig a kezdetben jelenlevő atommagok számának ugyanaz a tört része bomlik el. Az elemek radioaktivitására jellemző a felezési idő, amely egyenlő azzal az időtartammal, amely alatt a radioaktív izotóp atommagjainak a fele elbomlik (ez milliomod másodperc és milliárd évek közötti időtartam lehet). A felezési idő mellett a radioaktív anyagok az aktivitással is jellemezhetők, amely megadja az egy másodperc alatt bekövetkező bomlások számát (mértékegysége a becquerel Bq) Az atommagok átalakulása mesterségesen is előidézhető az atommag különböző fajta részecskével (pl.: α részecske, neutron), vagy elektromágneses sugárzással történő kölcsönhatásának eredményeként. Atommagsugárzások Az atommagok átalakulását atommagsugárzások kísérik, melyek három félék lehetnek: α (alfa) sugárzás: He atommagból, azaz két protonból és két neutronból összetevődő atommagokból álló sugárzás. Alfa sugárzás kibocsátásakor az atom rendszáma 2-vel, tömegszáma 4-el csökken. Az α sugarak kis áthatolóképességgel rendelkeznek (levegőben néhány centiméter). β (béta) sugárzás: Elektronból (β - ), vagy pozitronból (β + ) (a pozitron az elektronnal megegyező tömegű, de ellentétes töltésű részecske az elektron antirészecskéje) álló sugárzás, melynek esetén az atom tömegszáma nem változik, csak rendszáma. A β sugarak az α-nál nagyobb áthatoló képességgel rendelkeznek (levegőben néhány méter). γ (gamma) sugárzás: Nagy frekvenciájú (1, Hz) elektromágneses sugárzás. Nagy áthatoló képességű sugárzás (akár több tízcentiméteres vastagságú betonfalon is keresztülhatol). 26

28 A radioaktív sugárzások biológiai hatása Az atommagsugárzások hatással vannak az élő szövetekre: károsíthatják, elpusztíthatják a sejteket, a szövetek, szervek működési zavarát okozhatják, azok kóros elváltozásaihoz vezethetnek. Az atommagsugárzások ionizációt okoznak, illetve molekulákat hasíthatnak szét, melynek következtében a sejt károsodhat. A sugárzás fajtájától, illetve a sugárzást ért szövetek típusától függően a biológiai hatások eltérőek. A szövetek regenerálódásának köszönhetően a nem túl nagymértékű sugárzásnak nincs maradandó káros hatása. Az élőlények állandó jelleggel ki van téve a környezet részéről sugárzásnak, a háttérsugárzás-nak, illetve az élő szervezetekben is találhatók radioaktív izotópok. A radioaktív sugárzások genetikai elváltozásokat is okozhatnak, amely miatt hatása csak az utódokban jelentkezik. A sugárzás hatása annál nagyobb, minél erősebb a sugárforrás, minél hosszabb ideig tart a besugárzás és minél kisebb a sugárforrástól való távolság. Dozimetria A szervezetet érő ionizáló sugárzások fizikai és biológiai dózisfogalmakkal, dózismennyiségekkel jellemezhetők. Az elnyelt dózis az anyagban elnyelt összes sugárzási energia és a test tömegének hányadosa. Jele: D, [D] = Gy (gray) Az elnyelt dózis egy régebbi mértékegysége a rad (1Gy = 100rad). Az elnyelt dózisteljesítmény az időegység alatt elnyelt dózis. Mértékegysége a Gy/s, de a gyakorlatban a Gy/h használatos. Az egyenértékdózis a sugárzás biológiai hatását leíró dózismennyiség. Az egyenértékdózis az elnyelt dózis és egy, a sugárzás típusától függő arányossági tényező szorzata. Jele: H, [H] = Sv (sievert) 1Sv dózis-egyenértékű sugárzás károsító hatása megegyezik 1Gy röntgen-, vagy gammasugárzás elnyelt dózisának a hatásával. Az effektív dózis az emberi test összes szövetére vagy szervére vonatkozó súlyozott egyenértékdózisok összege (a különböző szövetekre, szervekre különböző hatással vannak a sugárzások). Jele: E, [E] = Sv Példák sugárterhelésre: 1 évig élni 80 km-re egy normálisan működő atomreaktortól 0,00009 msv 1 db banán elfogyasztása 0,0001 msv 1 évig élni 80 km-re egy széntüzelésű erőműtől 0,0003 msv Egy kézröntgen felvétel 0,001 msv Képcsöves monitor használata 1 éven át 0,001 msv Egy napi külső forrásból eredő természetes sugárterhelés Magyarországon 0,002 msv Egy napi természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon 0,008 msv Egy mellkas-átvilágítás 0,02 msv Egy tengerentúli repülőút 0,05 msv Egy mammográfiás felvétel 3 msv Egy évi természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon 2,4 msv Egy mellkasi tomográf (CT) felvétel 5,8 msv Az évi dóziskorlát a sugárveszélyes helyen dolgozók esetén 20 msv A legkisebb dózis, amely már egyértelműen növeli a rákbetegség kockázatát 100 msv A baleseti mentésben résztvevők számára megengedett legnagyobb dózis 250 nsv A legkisebb dózis, amely már közvetlen egészségügyi hatásokat okozhat 400 msv 27

29 A gradiens Valamely mennyiség gradiense megadja az illető mennyiség legnagyobb változásának irányát. A koncentráció gradiens Valamely oldatban megadja az oldott anyag (ionok) legnagyobb koncentrációváltozásának irányát. Az elektrokémiai potenciálgradiens Adott két különböző koncentrációjú oldat olyan féligáteresztő hártyával elválasztva egymástól, amely a pozitív és a negatív ionokat nem egyforma mértékben ereszti át. A nagyobb koncentráció oldatból megindul az ionok átvándorlása a hártyán keresztül a kisebb koncentrációjúba (a jelen levő koncentráció gradiens hatására). Ezzel együtt, mivel a pozitív és a negatív ionok nem egyforma számban jutnak át membránon, kialakul egy egyre növekvő feszültség (elektromos gradiens, vagy potenciálkülönbség) a két oldat között. Az ionok mozgását a koncentráció gradiens és a feszültség együttesen határozzák meg, melyeket együttesen az elektrokémiai potenciálgradiens megnevezést kapták. 28

30 AZ ÉLETFOLYAMATOK BIOFIZIKAI ALAPJELENSÉGEI AZ INGERÜLET Az idegi impulzusok gerjesztését és továbbítását az idegsejtek valósítják meg. Az ingerület kiváltásához az ingernek el kell érnie egy bizonyos erősséget, az ingerküszöböt, illetve kellő hirtelenséggel kell hatnia. A küszöbértékű (vagy a feletti) ingerek az idegsejtben fizikai kémiai változásokat idéznek elő. A sejtek belseje és a körülötte levő folyadék között állandó potenciálkülönbség (feszültség) áll fenn, melynek értéke a különböző sejttípusok esetén -50mV és -100mV közötti (a sejten kívüli térre vonatkoztatva). Ez a feszültséget nyugalmi potenciál. Az idegsejtek sejtmembránjának külső és belső oldala közötti potenciálkülönbség (a sejt nyugalmi állapotában) nyugalmi membránpotenciál. Ezt a sejtben zajló energiafüggő folyamatok hozzák létre, melynek értéke a sejtre jellemző, és állandó. A nyugalomban levő idegsejtek esetén értéke -70mV körüli. A sejtmembrán két oldalán a különböző ionok koncentrációja különbözik, ami a nyugalmi membránpotenciált létrehozza. A sejt belsejében negatív fehérjék, nukleinsavak találhatók. A K + koncentráció a sejt belsejében nagyobb, mint azon kívül, a Na + koncentráció a sejten belül kisebb, mint azon kívül, és a Cl - koncentráció a sejten belül kisebb, mint azon kívül. Ezek az ionok járulnak legnagyobb mértékben hozzá a nyugalmi membránpotenciál kialakulásához, valamint az ingerület vezetéséhez. A sejtek a pozitív ionok (kationok) mozgatásával változtatják meg a membránpotenciált. A sejt nyugalmi állapotában a sejtmembránon a K + ionok mintegy 20-szor könnyebben jutnak át, mint a Na + ionok. A K + és a Na + ionok mozgását egyrészt az elektrokémiai potenciálgradiens befolyásolja, másrészt a K + -Na + pumpa, amely folyamatosan visszajuttatja a sejtbe a K + ionokat és eltávolítja onnan a Na + ionokat. A folyamat az ATP (adenozin-trifoszfát) segítségével valósul meg (egy ATP molekula két K + iont szállít a sejtbe és három Na + iont távolít onnan el). Küszöbértékű inger (-20mV és -50mV közötti) hatására depolarizáció megy végbe, vagyis csökken abszolút értékben a membránpotenciál. Ennek hatására a sejtmembrán feszültségérzékeny membráncsatornái hirtelen kinyílnak és átjárhatóvá válnak a Na + ionok számára, melyek beáramlanak a sejt belsejébe. Ez egy gyorsan kialakuló, ideiglenes pozitív feszültséget hoz létre a sejt külseje és belseje között, melynek értéke elérheti a +40mV-ot is. Ez az akciós potenciál. A beáramló Na + ionok miatt megváltozott potenciálkülönbség hatására újabb membráncsatornák nyílnak ki, egy öngerjesztő folyamatot hozva létre. Ezért az akciós potenciál továbbterjed a sejtmembránon, mint egy depolarizációs hullám. Az akciós potenciál kialakulása során a Na + ionokat átengedő membráncsatornák bezáródnak, és kinyílnak a K + ionokat átengedők. A K + ionok sejtből történő kilépésével (és a Na + ionok be nem lépésével) létrejön a repolarizáció, melynek során a membránpotenciál visszaáll eredeti értékére. Az akciós potenciál másképp terjed a myelinhüvelyes és a csupasz axonokon, ezért az előbbiekben az ingerület sebessége néhány tíz m/s (akár a 120m/s-ot is elérheti), az utóbbiakban viszont csak 1m/s körüli. A depolarizáció és a repolarizáció ideje alatt, ami 3-5 milliszekundum, a szövet nem ingerelhető újra. 29