Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně -- Biofyzikální centrum Úvod Biofyzika Interdisciplinární vědecký obor pojednávající o * fyzikálních procesech v živých organismech * vlivech fyzikálních faktorů na živé organismy Lékařská biofyzika (objektem studia je lidské tělo) zahrnuje i principy diagnostických a terapeutických přístrojových metod Návaznosti * Přírodní vědy (fyzika, chemie a biochemie, biologie) * Morfologické obory * Fyziologie a patologická fyziologie * Klinické obory (v podstatě všechny!) Metody získávání poznatků v biofyzice * Pozorování a experiment * Studium teoretických problémů * Modelování biofyzikálních procesů Z čeho se učit? * Hrazdira, Mornstein: Lékařská biofyzika a přístrojová technika, Neptun, Brno, 2001 * Jakékoliv učební texty pro lékařskou biofyziku vydané po r. 1990 -- s rizikem neúplnosti a zastaralosti Jak se učit? * Problém studia lékařské fyziky (biofyziky) není v množství látky, kterou je nutno zvládnout, ale v nutnosti pochopení fyzikálních principů a jejich aplikace. Paměťové učení zpravidla nedostačuje pro úspěch u zkoušky. * Problémům je nutno rozumět, jinak je nelze vyřešit. Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně Struktura hmoty Látka a pole * Základní stavební elementy organického a anorganického světa jsou identické. * Živá hmota se liší od neživé pouze svou vysokou organizovaností. * Látka a pole jsou dvě formy hmoty, které se mohou vzájemně přeměňovat (např. "anihilace", tvorba elektron-pozitronových párů) Čtyři základní fyzikální interakce Základní částice hmoty * Fotony * Leptony -- elektrony, miony, neutrina a jejich antičástice * Hadrony -- baryony (nukleony) a mezony * Hadrony jsou tvořeny kvarky * Kvarky (u, c, t, d, s, b) mají třetinový nebo dvoutřetinový náboj ve srovnání s elektronem * Proton (u, u, d), neutron (d, d, u) -- neutron je proto poněkud těžší a nestabilní Kvantové a vlnové vlastnosti částic * Energie fotonů: E = h.f = h.c/l h je Planckova konstanta (6,62.10^-34 J.s), f frekvence, c rychlost světla ve vakuu a l vlnová délka * Foton má hybnost! * Pro částice s klidovou hmotností odvodil de Broglie vlnovou délku tzv. hmotnostních vln: l = h/p, kde p = m.v (hybnost) Dualismus částice-vlna difrakce elektronů Krystalogram - obraz na fotografické desce - vzniká v důsledku difrakce elektronů na krystalové mřížce. (http://www.matter.org.uk/diffraction/electron/electron_diffraction.htm) Dualismus částice-vlna tunelový jev (efekt) Důsledek dualismu částice-vlna: Heisenbergovy relace (vztahy) neurčitosti dr. dp >= h/2p dE. dt >= h/2p Polohu r a hybnost p částice nelze současně změřit s libovolnou přesností (bude-li se neurčitost polohy částice -- dr -- blížit k nule, pak neurčitost hybnosti částice -- dp -poroste nad všechny meze). Totéž platí pro současné měření velikosti změny energie částice E a času t k této změně potřebnému. Schrödingerova rovnice Význam vlnové funkce * Absolutní hodnota druhé mocniny vlnové funkce |Y^2| má význam hustoty pravděpodobnosti výskytu částice v daném místě prostoru. * Schrödingerova rovnice však má řešení jen pro některé hodnoty číselných koeficientů určujících možné hodnoty energie a prostorové lokalizace elektronů. * Tyto číselné koeficienty nazýváme kvantová čísla Kvantová čísla * Hlavní n = 1, 2, 3 .... (K, L, M, ....) * Vedlejší pro každé n l = 0, 1, 2, .... n -- 1 (s, p, d, f ...) * Magnetické pro každé l m = 0, +/-1, +/-2, ...+/-l * Spinové pro každé m s = +/-1/2 * Pauliho princip výlučnosti -- v jednom elektronovém obalu atomu se nemohou vyskytovat dva elektrony popsané stejnými kvantovými čísly Excitace a ionizace atomů Spektra - emisní Spektrum vodíku ještě jednou modrofialová, modrozelená a červená čára Upraveno dle -http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH07/FG07_19.JPG Spektra - čárová absorpční Spektra - pásová absorpční Jádro atomu Hmotnostní defekt jádra = míra stability jádra: dm = (Z.m[p] + N.m[n]) - m[j ]Nuklidy * Nuklid -- látka tvořená atomy, jejich jádra mají stejné složení a energii -- Izotopy -- nuklidy, jejich jádra mají stejné Z a různé A -- Izobary -- nuklidy, jejich jádra mají různé Z a stejné A -- Izomery -- nuklidy, jejich jádra mají stejné Z a stejné A, avšak různé energie Izotopy rtuti Co je nutno znát ještě? * Radionuklidy -- nuklidy schopné radioaktivního rozpadu * Jaderný spin: Jádra mohou mít v důsledku vlastního momentu hybnosti magnetický moment (chovají se jako malé magnety). U jader s lichým počtem nukleonů je výsledný magnetický moment a spin nenulový (možnost vzniku nukleární magnetické rezonance - NMR) Dobrou chuť!