Устройство рефрактометра УРЛ.

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей: верхней – корпуса, нижней – основания.

К корпусу прибора крепятся камеры: верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе. Верхняя же камера, заключающая в себе осветительную призму, соединена с нижней и может поворачиваться относительно ее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна. На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель, свет от которого может быть направлен в одно из окон камер.

 

На оси прибора укреплены:

- рукоятка с окуляром и настроечным механизмом, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки;

- лимб дисперсии для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр;

- механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы.

На передней стенке основания расположен выключатель для включения осветителя.

На боковой стенке расположен шнур с вилкой для подводки питания от сети.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

 

1. Какой угол называется углом падения?

2. Какой угол называется углом преломления?

3. Сформулируйте закон преломления.

4. Что называется относительным (абсолютным) показателем преломления?

5. Какая характеристика световой волны не изменяется при переходеволны 6. из одной среды в другую?

7. Что является причиной изменения направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую?

8. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? При каких условиях оно наблюдается

9. Дайте понятие предельного угла полного внутреннего отражения.

10. Из чего состоит оптическая система действия рефрактометра?

11.Что такое волоконная оптика. Применение волоконной оптики в медицине?

12. С какой целью используется рефрактометр в медицине?

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рефрактометр, стеклянная палочка с оплавленным концом, водные растворы сахара, водные растворы NaCI известных концентраций, раствор NaCI неизвестной концентрации, дистиллированная вода.

 

 

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Проверка установки нуль-пункта рефрактометра.	Проверку и установку на нуль – пункта необходимо проводить по дистиллированной воде и при температуре 20 ±0,1^о С. 1.Откройте верхнюю камеру и промойте дистиллированной водой поверхности измерительной и осветительной призм и насухо протрите тканью. 2. Оплавленным концом стеклянной палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру. 3.Смещая осветитель, луч света направьте в окно верхней камеры. 4. Перемещая рукоятку с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз, ввести в поле зрения границу светотени. 5. Установите вращением гайки окуляра по глазу наблюдателя резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки. 6.Устраните окрашенность границы светотени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора. 7. Поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси, получите максимально контрастную границу светотени. 8. Границу светотени, перемещая рукоятку, подведите к центру перекрестия сетки. Если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через отметку шкалы nж=1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль-пункт установлен правильно. 9. Установку нуль-пункта проверьте два-три раза путем смещения рукоятки границы светотени и повторной подводкой ее к перекрестию сетки.
2. Измерение показателя преломления и концентрации водных растворов сахара.	1. На нижнюю призму поочередно нанесите растворы сахара различной концентрации. 2. Совместите визир с границей свет-тень и определите по левой шкале показатели преломления исследуемых растворов (nж). Для каждого раствора измерение показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Одновременно с определением nж по правой шкале определите концентрацию (С) сахара в растворах. Результаты занесите в таблицу 1. Таблица 1
Растворы различной концентрации	Раствор №1	Раствор №2	Раствор №3
Водные растворы сахара	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
Концентрация сахара, определенная по прибору.	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =
3. Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.	1. Определите аналогичным способом показатели преломления трех водных растворов NaCI известных концентраций (5%, 10%, 15%) и одного с неизвестной концентрацией. 2. Для каждого раствора измерения показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Результаты измерений занесите в таблицу 2. 3. Постройте график зависимости n =f(C) и по нему определите концентрацию NaCI исследуемого раствора Сх и внесите результат в таблицу 2. 2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы. Таблица2
5% раствор NaCI	10% раствор NaCI	15% раствор NaCI	Раствор NaCI неизвестной концентрации
n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
	Сх=
Примечание. После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора. Прибор выключить.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Защита от ионизирующего излучения

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить ослабление ионизирующего излучения в различных веществах.

Исходный уровень знания:

1. Знать виды механических колебаний.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 28, с. 536 - 541.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 157—162.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

 

Ионизирующее излучение представляет собой потоки частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул этого вещества. К ионизирующим излучениям относятся потоки электронов, позитронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц, ос-частиц, а также гамма- и рентгеновское излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с молекулами органических соединений могут образовываться высокоактивные возбужденные молекулы, ионы, радикалы. Взаимодействуя с другими молекулами биологических систем, они вызывают разрушение мембран, клеточных ядер и, следовательно, приводят к нарушению функций организма.

Для количественной оценки энергии, полученной облученным веществом, вводят понятие поглощенной дозы излучения, численно равной отношению энергии ионизирующего излучения, переданной элементу вещества, к массе этого элемента.

Экспозиционная доза – это общее количество радиоактивного излучения, достигающего вещества. Экспозиционная доза определяется для гамма- и рентгеновского излучения как общее количество ионов, образуемых в единице массы сухого воздуха в стандартных условиях (0⁰C, 760 мм.рт.ст.) при действии на него указанных видов излучения. Единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм [кл/кг]. Но более удобной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). 1 Рентген равен 2,58*10^-4 Кл/кг, что составляет приблизительно 2 миллиона пар ионов на 1 см³ воздуха.

Различные излучения при одной и той же поглощенной дозе оказывают разные воздействия на биологические объекты, поэтому принято сравнивать биологический эффект различных излучений с эффектом, вызываемым рентгеновским или γ-излучением, при одинаковой поглощенной дозе.

Количественно биологическое действие ионизирующего излучения оценивается эквивалентной дозой Н:

H=kD, (1)

где k — коэффициент качества,представляющий собой безразмерную величину, показывающую, во сколько раз эффективность биологического действия данного излучения больше, чем рентгеновского или γ-излучения при той же поглощенной дозе.

Доза, отнесенная ко времени , называется мощностью дозы. Согласно (1) мощность эквивалентной дозы равна:

(2)

 

При распространении ионизирующего излучения в веществе происходит его ослабление, которое описывается экспоненциальным законом (рис. 1):

I = I₀ e^-μx, (3)

 

где I₀ — интенсивность падающего излучения, I — интенсивность излучения, прошедшего расстояние х в веществе, μ — линейный коэффициент ослабления.

Часто используют массовый коэффициент ослабления μ_m

, (4)

где р — плотность вещества.

 

Рис.1.

Ослабление интенсивности можно охарактеризовать отношением I/I₀ или обратной величиной I₀ /I — кратностью ослабления (КО).

Толщина слоя вещества, при прохождении которого интенсивность ионизирующего излучения уменьшается в два раза (кратность ослабления равна 2), называется слоем половинного поглощения d_1/2 (см. рис. 1). Из формулы (3) следует, что

(5)

Работа с любыми источниками ионизирующего излучения требует защиты человека от его вредного воздействия. Защитой от ионизирующего излучения (радиационной защитой) называют методы ослабления воздействия ионизирующих излучений на организм до допустимого уровня.

Если биологический объект находится на расстоянии х от источника ионизирующего излучения (радионуклида) активностью А, то получаемую им за время t эквивалентную дозу можно определить по формуле

(6)

где k — коэффициент качества данного излучения, μ — массовый коэффициент ослабления биологической ткани, — массовый коэффициент ослабления воздуха, k _γ— гамма-постоянная данного нуклида. Величина является переходным коэффициентом от поглощенной дозы в воздухе к эквивалентной дозе в биологической ткани. Мощность эквивалентной дозы равна

(7)

Различают три вида защиты от ионизирующего излучения: защита временем, защита расстоянием и защита материалом.

Из (6) следует, что чем больше время t и чем меньше расстояние х, тем больше доза Н. Следовательно, время нахождения под воздействием ионизирующего излучения должно быть по возможности минимальным, а расстояние от источника излучения максимальным.

В радиобиологии используется понятие предельно допустимой дозы (ПДД) ионизирующего излучения — дозы, которая при систематическом воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений организма и неблагоприятных наследственных изменений у потомства.

В соответствии со значениями ПДД установлены допустимые мощности эквивалентной дозы: для работающего с источниками излучения персонала (категория А) — 28 мкЗв/ч; для населения (категория В) — 0,2 мкЗв/ч.

Зная предельно допустимую мощность эквивалентной дозы ( H/t )_пд, можно вычислить безопасное расстояние х_БП:

(8)

Защита материалом основана на способности различных веществ поглощать ионизирующее излучение, которая характеризуется его массовым коэффициентом ослабления μ_m и слоем половинного ослабления d_1/2. Значения этих параметров зависят от вида ионизирующего излучения и энергии квантов электромагнитного излучения.

Толщину экранов из защитных материалов можно рассчитать, используя понятие кратности ослабления (КО).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Дайте определение и перечислите различные виды ионизирующего излучения.

2. Дайте определения поглощенной и экспозиционной дозам, мощности дозы.

3. Что такое эквивалентная доза?

3. Что называется коэффициентом качества? эквивалентной

4. Запишите закон ослабления ионизирующего излучения.

5. Что называется массовым коэффициентом ослабления и линейным коэффициентом ослабления?

6. Запишите формулу зависимости мощности эквивалентной дозы от активности радиоактивного источника.

7. Укажите способы защиты от ионизирующих излучений.

8. Дозиметрические приборы.

Приборы и принадлежности:

персональный компьютер

 

Схема работы

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Изучение ослабления ионизирующего излучения в веществе в зависимости от расстояния.

1. Задавая значения расстояния х, получите на экране графики зависимостей ослабления интенсивности = f(x) и кратности ослабления КО = = f(x} квантов с энергией Е1 для следующих веществ: воздух, вода, бетон, свинец. 2. Проделайте аналогичные действия для квантов с энергией E2 = 1,25 МэВ. 3. Зарисуйте полученные графики в тетрадь. 4. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод об ослабляющей способности исследуемых веществ.

2.Определение характеристик ослабления ионизирующего излучения веществами:

1. Определите по полученным графикам слой половинного поглощения d1/2 квантов с энергией Е1 для различных веществ. 2. Вычислите линейный μ и массовый μm коэффициенты ослабления [см. формулы (5) и (4)]. 3. Полученные данные занесите в таблицу 1. 4. Повторите действия п. 1, 2 для квантов с энергией Е2 = 1.25 МэВ и занесите полученные данные в таблицу, аналогичную таблице 1. Таблица 1

Веществo

ρ, кг/м^3

d1/2, м

μ, м^-1

μm, м^2/кг

воздух

1.29

вода

бетон

свинец

3. Определение мощности эквивалентной дозы излучения

1.Вычислите значения мощностей эквивалентной дозы [см. формулу (7)] при заданной активности А1 источника для различных расстояний х. 2. Проделайте аналогичные вычисления при активности A2=3,7•10^10Бк. 3. Занесите полученные данные в таблицу 2. Таблица 2

х, м

А1

А2

H/t, Зв/с

H/t, мкЗв/ч

H/t, Зв/c

H/t, мкЗв/ч

Примечание: в данном задании изучается γ-излучение радиоактивного источника ^60Со, для которого k=83.8·10^-18 . Для рентгеновского и γ-излучения .

4.Определение безопасных расстояний.

1. Зная предельно допустимые мощности эквивалентной дозы (H/t)пд, вычислите безопасные расстояния хБП для радионуклида ^60Co при двух значениях активности А1 и А2 = 3,7 • 10^10 Бк для категорий А и В [см. формулу (8)]. 2. Занесите полученные данные в таблицу 3. Таблица 3

А, Бк

хБП, м

Категория А

Категория Б

5. Определение толщины защитных экранов.

1. Определите кратность ослабления мощности эквивалентной дозы до предельно допустимой (H/t)пд для категорий А и В: КО= . Значения H/t на различных расстояниях х от источника в отсутствии защитного экрана возьмите из таблицы 2. 2. Используя графики, полученные в задании 1, определите толщину d защитных экранов из различных материалов, обеспечивающих необходимую кратность ослабления. 3. Полученные результаты занесите в таблицу 4. 4. Постройте графики зависимости d = f(x) для разных материалов. Таблица 4

х, м

Н/t, мкЗв/ч

Категория А

Категория Б

КО

d, м

ККО

d, м

Бетон

Свинец

Бетон

Свинец

 

 

Семинар 7

Постоянный электрический ток, применение в медицине

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 6, с. 93 - 112.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Закон Ома для металлов и биологических тканей. График зависимости I=f(t).

2. Общие принципы поляризации. Виды поляризации.

3. Электронная поляризация. Примеры, время релаксации.

4. Дипольная поляризация. Примеры, время релаксации.

5. Ионная и макроструктурная поляризация. Примеры, время релаксации.

6. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном электрическом токе.

7. Гальванизация и лечебный электрофорез.

 

Семинар 8

Переменный электрический ток

 

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 14, с. 265 - 282.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Переменный ток

2. Импульсный сигнал и его характеристики. Применение в медицине

3. Полное сопротивление в цепи переменного тока

4. Резонанс напряжений

5. Импеданс тканей организма. График зависимости Z=f(ν)

6. Дисперсия импеданса

7. Физические основы реографии

8. Электромагнитные волны

9. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине

10. Воздействие переменного тока на ткани организма

11. Диатермия и местная дарсонвализация, электрохирургия.

 

Семинар 9

Оптика

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 21, с. 375 - 379.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 61-67.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Виды линз (ход лучей, графическое изображение). Фокус, фокусное расстояние, оптическая ось линзы (определение). Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы.

2. Аберрация линз (сферическая, астигматизм, дисторсия, хроматическая.

3. Оптическая система глаза и ее особенности. Недостатки оптической системы глаза и их устранение.

4. Устройство оптического микроскопа. Увеличение микроскопа. Разрешающая способность.

5. Специальные примы оптической микроскопии (микропроекция и микрофотография, метод фазового контраста, ультрафиолетовая микроскопия.

6. Преломление света в различных средах.

7. Волоконная оптика. Применение в медицине.

 

Семинар 10

Тепловое излучение

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 22, с. 405 - 415.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

 

Вопросы для самоконтроля:

1.Характеристики теплового излучения. Чёрное тело.

2. Законы излучения чёрного тела. Излучение солнца.

3. Закон Кирхгофа.

4. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина.

5. Рассеяние света, закон Рэлея. Нефелометрия.

6. Закон Бугера-Ламберта-Бера, фотоэлектроколориметрия.

7. Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине. Фотоэлектрический эффект.

8. Люминесценция. Закон Стокса. Применение в медицине.

9. Инфракрасное излучение. Применение в медицине. Тепловидение.

10. Спектры испускания и поглощение молекул.

 

Семинар 11

Рентгеновское излучение

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл.2 6, с. 506 - 516.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Устройство рентгеновской трубки.

2. Тормозное рентгеновское излучение.

3. Характеристическое рентгеновское излучение.

4. Атомные рентгеновские спектры.

5. Закон Мозли.

6. Когерентное рассеяние.

7. Эффект Комптона.

8. Фотоэффект.

9. Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине.

 

Семинар 12