Физика и биофизика: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования, обучающихся по специальностям 060101.65 "Лечебное дело", 060103.65 "Педиатрия", 060105.65 "Медико-профилактическое дело" по дисциплине "Физика"

Оглавление Предисловие ко второму изданию ..................................................................................................... 6 Физика. Раздел 1. Механические колебания и волны ...................................................................... 8 Глава 1 Механические колебания ...................................................................................................... 9 1.1. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ...................................................................................... 11 1.2. ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ............................................................................................ 14 1.3. ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ......................................................................................... 17 1.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В МЕДИЦИНЕ ............................................................ 25 Глава 2 Механические волны ........................................................................................................... 27 2.1. ВОЛНЫ В УПРУГИХ СРЕДАХ ........................................................................................... 27 2.2. ЭНЕРГИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ .............................................................................. 31 2.3. УДАРНЫЕ ВОЛНЫ ............................................................................................................... 33 Глава 3 Звуковые волны ................................................................................................................... 35 3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА.................................................................... 35 3.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОСПРИЯТИЯ ЗВУКА ................................................................... 39 Глава 4 Ультразвук и его применение в медицине ........................................................................ 44 4.1. УЛЬТРАЗВУК, ЕГО СВОЙСТВА ........................................................................................ 44 4.2. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ............................................................ 47 4.3. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ .......................................... 51 4.4. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ТЕРАПИИ .................................................................. 54 Раздел 2. Электромагнитное излучение .......................................................................................... 56 Глава 5 Электромагнитные волны ................................................................................................... 56 5.1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ .................... 56 5.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ МАКСВЕЛЛА ...................................................... 60 5.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ .............................. 64 5.4. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН .......................................................................... 70 Глава 6 Тепловое излучение ............................................................................................................. 71 6.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ................................ 71 6.2. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ............................................................................... 74 Глава 7 Элементы квантовой механики .......................................................................................... 80 7.1. ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ .............................. 80 7.2. КВАНТ ЭНЕРГИИ. ТЕОРИЯ БОРА. ДЛИНА ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ .............................. 81 7.3. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА ...................................................... 84 Глава 8 Спектры излучения атомов и молекул............................................................................... 89 3 8.1. УРОВНИ ЭНЕРГИИ АТОМОВ. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ .................................................. 89 8.2. УРОВНИ ЭНЕРГИИ МОЛЕКУЛ. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ................................... 92 Глава 9 Люминесценция. Лазер ....................................................................................................... 95 9.1. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ............................................................... 95 9.2. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ЕГО СВОЙСТВА ................................................................... 100 Глава 10 Рентгеновское излучение ................................................................................................ 108 10.1. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, МЕХАНИЗМЫ ЕГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ................ 108 10.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ ........... 110 10.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ................................................................................................................................. 112 Глава 11 Рентгеновские компьютерные томографы .................................................................... 114 11.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ .......... 114 11.2. МЕТОД РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ............................. 117 11.3. СОВРЕМЕННЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТОМОГРАФЫ ............... 119 Раздел 3. Элементы физики атомного ядра .................................................................................. 123 Глава 12 Радиоактивность .............................................................................................................. 123 12.1. СОСТАВ АТОМНЫХ ЯДЕР ............................................................................................. 123 12.2. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА ...................................................................... 126 Глава 13 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом .......................................... 136 13.1. ПУЧКИ ПРОТОНОВ, ЭЛЕКТРОНОВ, НЕЙТРОНОВ ................................................... 136 13.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ ..................................... 139 13.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АНТИЧАСТИЦ ............................................................................ 140 Глава 14 Методы ядерной физики в медицине ............................................................................. 141 14.1. РАДИОНУКЛИДНАЯ ДИАГНОСТИКА ........................................................................ 142 14.2. ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ И МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ ....................................................................................................................................................... 144 14.3. РАДИОИЗОТОПНАЯ ТЕРАПИЯ ..................................................................................... 148 Биофизика. Раздел 4.Биофизика клетки ........................................................................................ 150 Глава 15 Клеточные мембраны ...................................................................................................... 151 15.1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН ..................................... 151 15.2. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ МЕМБРАНЫ .......................... 153 15.3. ЖИДКОСТНО-МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ МЕМБРАНЫ ................................................ 161 15.4. ПОДВИЖНОСТЬ ФОСФОЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ В МЕМБРАНАХ ..................... 162 15.5. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНАХ .............................................................................................................................. 165 Глава 16 Транспорт веществ через биологические мембраны.................................................... 169 4 16.1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ...................................................................... 169 16.2. ПАССИВНЫЙ ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ........................................ 170 16.2. ПАССИВНЫЙ ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ........................................ 172 16.3. АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ. ОПЫТ УССИНГА ......................................... 178 16.4. ЛИПИДНЫЕ ПОРЫ В МЕМБРАНАХ ............................................................................. 181 16.5. ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ КЛЕТОК ........................................................................................ 187 ГЛАВА 17. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ ............................................................................................... 191 17.1. ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ ...................................................................................................... 191 17.2 МЕТОД ФИКСАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА. ИОННЫЕ ТОКИ В АКСОНЕ ........................ 203 17.3. МОДЕЛЬ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ ................................................................................... 208 17.4. МОДЕЛЬ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ ................................................................................... 208 17.5. МОДЕЛЬ ХОДЖКИНА-ХАКСЛИ ................................................................................... 209 17.6. ИОННЫЕ КАНАЛЫ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН ........................................................... 213 17.7. ИОННЫЕ НАСОСЫ В МЕМБРАНАХ ............................................................................ 220 17.8. РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА ВДОЛЬ АКСОНА ......................... 222 17.9. ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ КАРДИОМИОЦИТА ......................................................... 225 Раздел 5. Биофизика тканей и органов .......................................................................................... 231 Глава 18 Электрическая активность органов ................................................................................ 232 18.1. МЕТОД ЭЛЕКТРОГРАФИИ ............................................................................................. 232 18.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ ........................................ 233 18.3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ...... 242 Глава 19 Автоволны в активных средах ........................................................................................ 245 19.1. АВТОКОЛЕБАНИЯ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ .............................................................. 245 19.2. АКТИВНАЯ СРЕДА. АВТОВОЛНЫ ............................................................................... 246 19.3. ТАУ-МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АВТОВОЛН .................................................... 248 19.4. РЕВЕРБЕРАТОРЫ В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ ...................................................... 252 19.5. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСТРАВОЗБУЖДЕНИЙ .................................... 256 Глава 20 Биофизика мышечного сокращения .............................................................................. 258 20.1. СТРУКТУРА МЫШЦЫ ..................................................................................................... 258 20.2. БИОМЕХАНИКА МЫШЦЫ ............................................................................................. 261 20.3. УРАВНЕНИЕ ХИЛЛА. МОЩНОСТЬ ОДИНОЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ ................... 265 Глава 21 Биофизические основы кровообращения ...................................................................... 271 21.1. РЕОЛОГИЯ КРОВИ ........................................................................................................... 271 21.2. ГЕМОДИНАМИКА. РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ .................................................................... 276 21.3. ПУЛЬСОВАЯ ВОЛНА. МОДЕЛЬ ФРАНКА .................................................................. 282 5 21.4. КРОВОТОК ПРИ ЛОКАЛЬНОМ СУЖЕНИИ СОСУДОВ. РЕЗИСТИВНАЯ МОДЕЛЬ ....................................................................................................................................................... 291 21.5. ФИЛЬТРАЦИОННО-РЕАБСОРБЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КАПИЛЛЯРАХ .......... 299 Раздел 6. Моделирование в биофизике ......................................................................................... 306 Глава 22 Моделирование биофизических процессов .................................................................. 307 22.1. МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.............. 307 22.2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИИ .. 309 22.3. ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ........................................................................ 319 Глава 23 Термодинамика биологических систем ......................................................................... 325 23.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ..................................................................................................... 325 23.2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В БИОЛОГИИ ............................................... 326 23.3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В БИОЛОГИИ ................................................ 327 23.4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ .................................................................. 330 23.5. СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ .................................................................................... 331 23.6. БИОФИЗИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ ............................................................. 333 Раздел 7. Физические поля и человек ............................................................................................ 336 Глава 24 Внешние физические поля и человек......................................................................... 338 24.1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ .............. 338 24.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕИОНИЗИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ ................................................................................................. 340 24.3. ПРОХОЖДЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ .................................................................................................................................... 343 24.4. ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ...................................................... 344 24.5. ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН ЗЕМЛИ ................................................ 348 24.6. НАРУШЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО РАДИОАКТИВНОГО ФОНА .............................. 351 Глава 25 Собственные физические поля человека ....................................................................... 354 25.1. ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ЧЕЛОВЕКА. ИХ ИСТОЧНИКИ ................................ 355 25.2. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ........................... 356 25.3. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ..................................................................................... 359 25.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВЧ-ДИАПАЗОНА ................................................ 363 25.5. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА ............................................................. 366 Типовые тестовые задания ............................................................................................................. 367 Литература ....................................................................................................................................... 383