Mi a biofizika tárgya? Biofizika Csik Gabriella Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése Pl. szívműködés, membránok szerkezete és működése, érzékelés stb. csik.gabriella@med.semmelweis-univ.hu Mi a biofizika tárgya? A biológiában és orvostudományban alkalmazott fizikai módszerek tárgyalása Pl. ekg, röntgendiagnosztika, mikroszkópos technikák stb. Sugárzások Milyen példákat tapasztalunk magunk körül? hang rádióhullámok magok Sugárzás: energia kibocsátás és terjedés
Sugárzások A természete Nem ionizáló ok Ionizálo ok Hullám? Részecske? mechanikai elektromágneses elektromágneses részecske IH hallható hang UH alfa béta rádió hullámok infravörös látható ultraibolya röntgen gamma Christiaan Huygens (1629-1695) Isaac Newton (1642-1727) Traité de la lumière 1690 Opticks 1704 Hullámok általános leírása Rezgés v. oszcilláció következtében kialakuló, térben és időben periódikus jelenség, amelyben energia terjed Jellemző mennyiségek Térbeli periodicitás - hullámhossz y A hullámhossz λ [m] vagy [nm] Maximális kitérés - amplitúdó 2 E ~ A y periódusidő de a hullámok különbözhetnek az energia fajtája az energia mennyisége a terjedés mechanizmusa szerint Időbeli periódicitás - periódusidő - frekvencia 1 1 f = τ s A
y Fázis : kitérési állapot y Hullámtermészetet bizonyító jelenségek: - elhajlás - szuperpozició/interferencia - polarizáció Hullámszám: k=2π/λ Körfrekvencia: ϖ=2π/τ φ(x)=kx+φo φ(t)=ϖt+φo φ=ϖt+kx+φο Elhajlás Szuperpozíció: Huygens-elv : egy hullámfelület minden pontjából elemi hullámok indulnak ki. Az új hullámfelület ezen hullámok burkolófelülete. hullám1 hullám2 Hullám 1+2 azonos frekvencia hullám1 hullám2 Hullám 1+2 azonos frekvencia
Interferencia - koherens hullámok szuperpozíciója A hullám vagy részecske? Kísérlet két réssel Hullám1 és 2 Hullám1 + 2 Hullám1 Hullám2 Hullám1 + 2 Thomas Young (1773-1829) Mit látunk az ernyőn? ha részecske ha hullám azonos fázis pozitív interferencia Φ = 0 ellentétes fázis negatív interferencia Φ = 180 Fénysugár Young kísérletének magyarázata Részecsketermészetet bizonyító jelenség: fotoelektronok S 1 és S 2 rések elemi hulláforrások anód fotokatód Áram folyik Heinrich Hertz 1887 interferencia 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 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 Magyarázat? -A jelenség értelmezése a hullámtermészettel lehetséges Max Planck Albert Einstein -Plank a kvantumfizika kezdetei - hullámoknak az energiája csak diszkrét értékeket vehet fel E = hf - Einstein magyarázata a kvantumelmélet alapján Fizikai Nobel-díj 1918 a kvantumelméletért Fizikai Nobel-díj 1921 a fotoelektromos hatás magyarázatáért
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 E kin ƒ min 1 foton 1 elektron kölcsönhatás A kilepő foton mozgási energiája: E kin = hf A A = hf 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 = 6.6 34 E = h 3 Js 4 c λ 8 m s = 4.95 7 m 19 4.95 J E = = 3. 1eV 19 1.6 19 J E VIS = 1.6 3.1 ev
Mennyi is...? 1 TeV: a repülő szúnyog mozgási energiája 200 MeV: 235 U atom 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 Az elektromágneses spektrum mobil telefon rádióhullám mikrohullám ionizáló infravörös látható ultraibolya röntgen gamma frekvencia ionizáló energia energy (ev) frequency frekvencia(hz) hullámhosz wavelength (m) 25-15 5 0 20 15-5 infravörös gamma röntgen - ultraibolya -5 mikrohullám TV/FM radió 0-5 radió 5-15 -20 0-5 hosszú hullámhosszú 15
Az optikai tartomány látható Kapcsolódó fejezetek: Damjanovich, Fidy, Szöllősi: Orvosi Biofizika UV-C 200-280 nm UV-B 280-315 nm ultraibolya UV-A 315-400 nm infravörös II. 1.1. II. 2. 1. VI.3 1.1.1 1.1.3 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.8 3.1.1 3.1.2