Biofizyka teoria opracowana

Układ – ciało lub zespół ciał stanowiący przedmiot badań; zorganizowana, wyodrębniona z otoczenia całość. Każdy układ może znajdować się w różnych stanach termodynamicznych, opisanych przez:

Stan nierównowagowy układu – dany parametr nie ma stałej, określonej wartości w obrębie całego układu.

Stan równowagowy układu – ustala się gdy ciało znajdujące się w stanie nierównowagowym odizoluje się od otoczenia i pozostawi samemu sobie. Wówczas dany parametr zacznie wyrównywać się aż do chwili, gdy przyjmie jednakową wartość dla każdego punktu ciała.

Zjawisko relaksacji – zjawisko przechodzenia układu ze stanu nierównowagowego do stanu równowagi; czas w jakim to zjawisko zachodzi to czas relaksacji (τ: A→A-e)

Układy termodynamiczne:

Przemiany w układach termodynamicznych:

Energia wewnętrzna układu (U) – wszystkie energie związane z jego strukturą mikroskopową (energie kinetyczne ruchu postępowego i obrotowego cząstek układu, energie potencjalne wzajemnych oddziaływań międzycząsteczkowych, energie związane z budową cząsteczek tworzących układ)

Prawo zachowania energii – w każdym procesie fizycznym całkowita energia układu i otoczenia pozostaje stała. Energia może przechodzić z jednej postaci w inną, ale w żadnym procesie nie może być tracona ani tworzona. Prawo to stanowi istotę I zasady termodynamiki.

W mechanice energia może być przekazana jedynie na sposób pracy ΔE = ±W.

W termodynamice natomiast na sposób pracy i ciepła.

Ciepło – część energii wewnętrznej, która może być wymieniana pomiędzy elementami układu, jeżeli istnieje między nimi różnica temperatur.

I zasada termodynamiki – zmiana energii wewnętrznej układu (równa różnicy energii wewnętrznej w stanie końcowym i początkowym układu) następuje w wyniku wymiany ciepła i wykonania pracy. Zależy jedynie od stanu początkowego i końcowego układu (nie zależy od drogi tych przemian!)

ΔU = U2 – U1 = Q + W

Gaz doskonały – nie występuje w rzeczywistości, jest pewnym modelem, przy założeniu, że:

Równanie stanu gazu doskonałego

pV = $\frac{m}{M}$ RT = nRT

$\frac{\text{pV}}{T}$ = const.

R = 8,31 J/mol K

Prawo Avogadro – w warunkach normalnych (T=273K, p=1013hPa) V1 mola gazu = 22,4 ∙ 10-3 m3/mol

Zależność między średnią energią kinetyczną ruchu postępowego cząsteczek a temperaturą bezwzględną

Ek = $\frac{i}{2}$ kT

i – liczba stopni swobody

dla gazu jednoatomowego i=3

dla gazu dwuatomowego i=5

dla gazu wieloatomowego i=6

W gazie rzeczywistym

(p + $\frac{\alpha}{V^{2}}$)(V-b) = RT

(p + n2 $\frac{\alpha}{V^{2}}$)(V-nb) = nRT

Siły Van der Waalsa – siły działające pomiędzy cząsteczkami gazu i cieczy. Przy większych odległościach przeważają siły przyciągania, przy mniejszych – siły odpychania.

Zjawisko mieszania się gazów - wszystkie gazy mieszają się bez ograniczeń ilościowych. Zjawisko to wynika z tego, że odległości między cząsteczkami gazów są duże a oddziaływania międzycząsteczkowe bardzo słabe.

Przemiany gazu doskonałego

  1. Przemiana izotemiczna (T=const.)

p1 V1 = p2 V2 = const.

Jeżeli wzrasta ciśnienie gazu, to maleje zajmowana przez ten gaz objętość.

I zasada termodynamiki dla przemiany izotermicznej – praca wykonywana jest kosztem dostarczonego ciepła

Q = –W

Nie następuje zmiana energii wewnętrznej układu

dU = U2 – U1 = 0

U2 = U1 = const.

  1. Przemiana izochoryczna (V=const.)

$\frac{T_{1}}{p_{1}}$ = $\frac{T_{2}}{p_{2}}$ = const. = $\frac{T}{p}$

Wzrost temperatury układu powoduje wzrost jego ciśnienia

I zasada termodynamiki – zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego następuje kosztem wymienionego ciepła

dU = U2 – U1 = Q

Praca w tym procesie nie jest wykonywana

  1. Przemiana izobaryczna (p=const.)

$\frac{T_{1}}{V_{1}}$ = $\frac{T_{2}}{V_{2}}$ = const. = $\frac{T}{V}$

Wzrost temperatury układu powoduje wzrost jego objętości

I zasada termodynamiki

ΔU = ΔQ + ΔW

Po wprowadzeniu nowej funkcji stanu – entalpii – zasada ta przyjmuje postać

dQ = (dH)p = H2 – H1

zmiana entalpii układu jest równa ilości ciepła odpowiednio pobranego lub oddanego przez układ

Entalpia (H) – suma energii wewnętrznej układu i iloczynu ciśnienia i objętości w określonym stanie równowagi.

H = U + pV

  1. Przemiana adiabatyczna (dQ=0, brak wymiany ciepła z otoczeniem)

p ∙ Vχ = const.

Wykładnik adiabaty (χ) – stosunek ciepła molowego przy stałym ciśnieniu do ciepła molowego przy stałej objętości. Jego wartość zależy od ilości atomów tworzących cząsteczkę gazu (czyli zależy od liczby stopni swobody).

χ = $\frac{C_{p}}{C_{V}}$

CV = $\frac{i}{2}$R, Cp = $\frac{i + 2}{2}$R gazy jednoatomowe i=3

χ = $\frac{C_{p}}{C_{V}}$ = $\frac{i + 2}{i}$ gazy dwuatomowe i=5

i – liczba stopni swobody (nie zależy od liczby moli gazu!) gazy wieloatomowe i=6

Makrostan – może być określony przez podanie wartości parametrów (V, p, T) oraz funkcji stanu (U, H) charakteryzujących układ jako całość. Każdy makrostan może być zrealizowany na wiele sposobów, odpowiadających różnym mikrostanom układu.

Mikrostan – stan układu makroskopowego scharakteryzowany tak dokładnie, że opisane są stany wszystkich jego cząsteczek.

Prawdopodobieństwo termodynamiczne / waga statyczna (W) – liczba różnych mikrostanów odpowiadająca danemu makrostanowi. Jest więc liczbą mikroskopowych sposobów realizacji danego makrostanu. Wszystkie mikrostany danego układu są jednakowo prawdopodobne.

Makrostan równowagi – makrostan, w którym układ nie wykazuje tendencji do zmian w miarę upływu czasu.

Entropia (S) – logarytmiczna miara prawdopodobieństwa termodynamicznego. Jej zmiany określają kierunek w jakim mogą zachodzić procesy w układzie izolowanym.

S = k ln W

k – stała Boltzmanna

W – prawdopodobieństwo termodynamiczne ∈(1,∞)

Własności entropii:

Zmiana entropii jest równa zmianie ciepła zredukowanego, przy czym ciepło zredukowane określamy jako stosunek ciepła pobranego przez dane ciało do jego temperatury bezwzględnej

dS = $\frac{\text{dQ}}{T}$

Nie zależy od drogi, ale od parametrów stanu końcowego i początkowego

dS = S2 – S1 = $\frac{\text{dQ}}{T}$ = O

dS = S2 – S1 > 0 ⇒ S2 > S1

Procesy nieodwracalne w układach izolowanych powodują wzrost entropii.

II zasada termodynamiki (prawo wzrostu entropii) – w wyniku dowolnego procesu zachodzącego w układzie izolowanym entropia nie może maleć. Entropia ma wartość stałą w procesach odwracalnych, rośnie w procesach nieodwracalnych, osiągając wartość maksymalną w stanie równowagi.

dS ≥ 0

Układy nieizolowane – należy przyjąć, że dowolny układ, wzięty wraz ze swym otoczeniem możemy traktować jako układ izolowany

dSU – zmiana entropii układu

dSO – zmiana entropii otoczenia

Twierdzenie Nernsta (tzw. III zasada termodynamiki) – ciała w temperaturze zera bezwzględnego znajdują się w stanie podstawowym, którego prawdopodobieństwo termodynamiczne W = 1, wtedy entropia zmierza do zera.

T→0 ⇒ W→1 ⇒ S→0

Zmiany entropii w stanie stacjonarnym

Wszystkie procesy zachodzące samorzutnie są procesami nieodwracalnymi. Związki między funkcjami termodynamicznymi otrzymane dla stanów równowagi obowiązują również w stanach nierównowagowych. Każdy organizm żywy jest układem otwartym, a procesy, które w nim zachodzą są procesami nieodwracalnymi. Z II zasady termodynamiki dla procesów nieodwracalnych wiadomo, że zmiana entropii układu i otoczenia związana z zachodzącym procesem jest zawsze dodatnia.

dSU = dSi + dSe

dSi – produkcja entropii ≥0

dSe – przepływ entropii

dSE = 0 i wówczas dS ≥ 0

Szybkość zmiany entropii układu jest sumą szybkości z jaką entropia jest produkowana w układzie na skutek procesów nieodwracalnych oraz szybkości, z jaką entropia jest wymieniana z otoczeniem.

$\frac{\text{dS}}{\text{dt}}$ = $\frac{\text{dS}i}{\text{dt}}$ + $\frac{\text{dS}e}{\text{dt}}$

Szybkość tworzenia się entropii w układzie nie może być ujemna (=0 dla procesów odwracalnych, >0 dla procesów nieodwracalnych). Szybkość zmiany entropii układu może przyjmować różne wartości:

Zasada Prigogina– szybkość tworzenia entropii w stanie stacjonarnym jest stała i przyjmuje wartość najmniejszą dla danej wartości działającego bodźca (odpowiednik reguły chemicznej La Chateliera-Brauna)

$\left( \frac{\text{dS}i}{\text{dt}}\ \right)$st = min.

I zasada termodynamiki dla układów otwartych

Organizm żywy do podtrzymania procesów życiowych potrzebuje energii. Energia uwalniana jest w procesach utleniania produktów pokarmowych. Procesy te zachodzą w przybliżeniu w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Ponieważ procesy te nie zachodzą w sposób odwracalny, miarą energii jaką organizm uzyskuje z utleniania produktów pokarmowych jest zmiana entalpii (ΔH). Kosztem tej energii organizm wykonuje pracę wewnętrzną Wi (na którą składają się wszystkie procesy mające na celu utrzymanie organizmu w stanie stacjonarnym, tj. procesy chemiczne, prace związane z transportem wbrew gradientowi stężeń, z krwawieniem, oddychaniem, trawieniem; w efekcie zmieniają się na ciepło, zwane ciepłem metabolizmu Wi = Q) oraz pracę zewnętrzną We (pokonywanie różnych oporów, kosztem wysiłku mięśniowego)

ΔH = We + Q

ΔH = Q

Organizm utrzymuje stałą temperaturę, gdy ilość ciepła wytwarzana w jednostce czasu (produkowana moc) będzie równa ilości ciepła oddanego w tym samym czasie do otoczenia (mocy oddanej). W organizmie zachodzi przemiana energii chemicznej (w postaci entalpii swobodnej) bezpośrednio w pracę, uzyskiwane ciepło jest produktem ubocznym, jako wynik procesów nieodwracalnych.

II zasada termodynamiki w procesach biologicznych (dla układów otwartych)

W organizmie dojrzałym, nie zmieniającym swojej biomasy, szybkość tworzenia się entropii jest równa szybkości jej efektywnego oddawania do otoczenia

$\frac{\text{dS}i}{\text{dt}}$ = $\frac{\text{dS}e}{\text{dt}}$

Entropia organizmu nie zmienia się w czasie $\frac{\text{dS}\text{org}}{\text{dt}}$ = 0; Sorg = const.

Organizm znajduje się w stanie stacjonarnym. Stan ten wyróżnia się pewną stabilnością. Zakłócenie tego stanu, spowodowane zmianą któregoś z bodźców, wywołuje działania, które przeciwstawiają się zakłóceniu i przywracają stan pierwotny. Wynika to z zasady Prigogina.

Nasze życie polega na nieustannej walce z tworzącą się entropią, wrogiem życia. Jednak bez tego wroga, bez tworzącej się entropii, nie byłoby życia. Układ szybko znalazłby się nie w stanie stacjonarnym, lecz w stanie równowagi, który oznacza śmierć. Jeżeli za układ będziemy uważali cały organizm wraz z otoczeniem, to jako całość układ będzie izolowany. Zgodnie z II zasadą termodynamiki, entropia w takim układzie może tylko rosnąć – a więc będzie spełniona zależność:

ΔSprzyrody = ΔSorganizmu + ΔSotoczenia > 0

Czyli życie, tak jak każdy inny proces (nieodwracalny) zwiększa entropię przyrody.

Energia swobodna układu (F) – różnica między energią wewnętrzną a iloczynem temperatury i entropii w określonym stanie układu termodynamicznego. Stanowi tę część energii wewnętrznej układu, która w sprzyjających warunkach może być wykorzystana przez układ do wykonania pracy (pozostała część energii U jest energią nieużyteczną, która nie może być wykorzystana do wykonania pracy – energia związana = T∙S)

F = U - T∙S

Zmiana energii swobodnej – w procesach izotermicznych wyznacza kierunek ich przebiegu. Ubytek energii swobodnej (–dF) wyraża maksymalną pracę, jaką układ może wykonać.

–dW ≤ –dF T=const.

–dW = –dF w procesach odwracalnych

–dW < –dF w procesach nieodwracalnych

–dW – praca wykonana przez układ

W procesach izochorycznych układ nie wykonuje pracy, wówczas –dF ≥ 0

Jeżeli wyłączymy zachodzące w układzie procesy odwracalne, dla których energia swobodna układu zachowuje stałą wartość (dF=0, F=const.), procesy izotermiczno-izochoryczne mogą przebiegać samorzutnie wyłącznie w kierunku zmniejszania się energii swobodnej (dF < 0, czyli F2 < F1). Przyjmuje ona wartość najmniejszą w stanie równowagi.

dF ≤ 0 dla T=const., V=const.

Entalpia swobodna (G) – różnica entalpii i iloczynu temperatury i entropii, decyduje o pracach innych niż objętościowe wykonywanych przez układ. W procesach izotermiczno-izobarycznych

G = H – T∙S

–dG ≥ –dWi

–dG – ubytek entalpii swobodnej

–dWi – praca nieobjętościowa wykonana przez układ

–dG = –dWi – w procesach odwracalnych

–dG > –dWi – w procesach nieodwracalnych

Jeżeli wyłączymy zachodzące w układzie procesy odwracalne (dG=0, G2=G1=const.), procesy izotermiczno-izobaryczne mogą w układzie przebiegać samorzutnie wyłącznie w kierunku zmniejszania się entalpii swobodnej. Przyjmuje ona wartość najmniejszą w stanie równowagi.

Procesy endoergiczne – następuje wzrost energii swobodnej lub entalpii swobodnej

Procesy egzoergiczne – następuje ubytek energii swobodnej lub entalpii swobodnej. Spełniające warunek dF<0, dG<0 zachodzą samorzutnie.

Dla reakcji αA + βB ↔ γC + δD

α,β,γ,δ – współczynniki stechiometryczne

A,B,C,D - substancje

Standardowa zmiana entalpii swobodnej (ΔG0) dla reakcji chemicznych

w warunkach standardowych (T=298K, p=1012hPa, a(aktywność składnika)=1)

ΔG0 = –R∙T∙lnK

K – stała równowagi chemicznej, K = $\frac{{{(\text{aC}}^{\gamma})}_{r}{(\text{aD}^{\delta})}_{r}}{\left( \text{aA}^{\alpha} \right)_{r}{(\ \text{aB}^{\beta})}_{r}}$

r – stężenie reagentów odpowiadające stanowi równowagi

ΔG0 < 0 – reakcja będzie przebiegać spontanicznie (egzoergicznie), K>1

ΔG0 > 0 – reakcja nie może przebiegać spontanicznie, jest endoegriczna, K<1

Zmiana entalpii swobodnej w innych warunkach (zależy od temperatury, ciśnienia, aktywności poszczególnych reagentów)

ΔG = ΔG0 + R∙T∙ln $\frac{\text{aC}^{\gamma}\text{aD}^{\delta}}{\text{aA}^{\alpha}\ \text{aB}^{\beta}}$

a – aktywność poszczególnych składników

Reakcje sprzężone – umożliwia zachodzenie w komórce reakcji endoergicznych (gdy są sprzężone z egzoergicznymi, bezwzględna wartość ΔG0 reakcji endoergicznej musi być mniejsza niż ΔG0 reakcji egzoergicznej). Standardowa zmiana entalpii swobodnej reakcji wypadkowej reakcji sprzężonych jest równa sumie standardowych zmian entalpii swobodnych tych reakcji

ΔG30 = ΔG10 + ΔG20

Cechy dźwięku*
Obiektywne (fizyczne)

Częstotliwość v

Natężenie I

Widmo E=f(λ)

*każdej cesze obiektywnej odpowiada cecha subiektywna

Zastosowanie ultradźwięków w diagnostyce i terapii

Diagnostyka ultradźwiękowa opiera się na tym, że stałe akustyczne (tj. współczynnik pochłaniania i prędkości fali) chorej tkanki są inne niż otaczającej ją tkanki zdrowej. Zastosowanie odpowiednich przetworników obrazów optyczno-akustycznych wraz z odpowiednią obróbką danych za pomocą komputera umożliwia wgląd w głąb badanego ustroju i obserwację chorych i uszkodzonych organów.

Ultradźwięki w medycynie oprócz diagnostyki (badania USG) znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, która obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali. Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięsniobóle, stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest określenie dawki fizycznej (pochłoniętej) dla danego schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.

Wpływ ultradźwięków na organizmy żywe

W działania wyróżnia się trzy efekty: mechaniczny (w odpowiednich warunkach prowadzi do niszczenia komórek), cieplny (pochłaniana energia fali przekształca się w ciepło, zwłaszcza w pobliżu powierzchni rozgraniczającej ośrodki o różnej impedancji akustycznej) i chemiczny (mogą przyspieszać reakcje chemiczne i doprowadzać do procesów, które bez fal nie mogłyby zajść, dyfuzja przez błony ulega zwiększeniu). Małe i średnie natężenia powodują w komórkach krążenie cytoplazmy, zwiększenie przepuszczalności błony komórkowej, tworzenie wakuoli. Duże natężenia prowadzą do deformacji jąder, przerwania błony komórkowej, fragmentacji komórki. W tkankach zmienia się pH, równowaga jonowa, aktywność enzymów, przemiana materii. Może dojść do rozpadu większych cząsteczek i powstawanie innych. Podnosi się temperatura tkanek, dochodzi do lepszego ukrwienia

Wpływ infradźwięków na organizmy żywe

Ich działanie biologiczne jest jeszcze stosunkowo mało poznane. Mogą one wywoływać rezonans różnych narządów. U ludzi przebywających w zasięgu działania tych fal obserwowano bóle głowy, niepokój, mdłości, bezsenność, nerwice, omdlenia. W badaniach na zwierzętach stwierdzono pękanie naczyń krwionośnych, krwotoki, zatrzymanie akcji serca.

Odbieranie wrażeń słuchowych

Fale dźwiękowe przenoszone przez powietrze docierają do małżowiny usznej, następnie przewodem słuchowym zewnętrznym do błony bębenkowej. Pod wpływem drgań powietrza błona bębenkowa zaczyna drgać, poruszając przylegający do niej młoteczek. Drgania z młoteczka są kolejno przekazywane na kowadełko i strzemiączko, skąd za pośrednictwem okienka owalnego trafiają do ucha wewnętrznego. W uchu wewnętrznym pobudzone przez fale dźwiękowe komórki nerwowe słuchu przetwarzają je na impulsy nerwowe i przesyłają do ośrodków słuchowych w korze mózgowej. W nich powstaje wrażenie słuchowe odebranego dźwięku.

Podstawowe pojęcia i definicje

Atom

R = R0 $\sqrt[3]{A}$

Izotopy

Izobary

Izotony

Stan wzbudzony

Zgodnie z teorią względności istnieje równoważność pomiędzy masą i energią:

E = mc2

m – masa

c – prędkość

Masa może być źródłem energii

Defekt masy – różnica pomiędzy sumą mas nukleonów tworzących jądro atomowe a masą utworzonego jądra

ΔM = Zmp + (A-Z)mn – M

Brakująca masa zamienia się w energię podczas łączenia nukleonów w jądro. Tę teorię nazywamy energią wiązania jądra atomowego

ΔE = ΔMc2

Promieniotwórczość – właściwość wzbudzonych jąder atomowych pewnych pierwiastków do samorzutnego rozpadu i emisji cząstek α, β i fotonów γ

$\frac{\text{dN}}{\text{dt}} = - \lambda\text{λN}$

λ – stała rozpadu promieniotwórczego, charakteryzuje dany nuklid promieniotwórczy, znak minus oznacza, że liczba jąder zmniejsza się w czasie

w najbardziej ogólnej postaci prawo rozpadu promieniotwórczego N = N0e-λt

N0 – liczba jąder pierwiastka promieniotwórczego w chwili t0

N – liczba jąder tego pierwiastka po czasie t

e – podstawa logarytmu naturalnego (ok. 2,7)

Promieniowanie jonizujące – każde promieniowanie zdolne do jonizacji atomów i cząsteczek na które oddziałuje. Promieniowanie takie może mieć różne pochodzenie i różną naturę. Wspólnym mianownikiem jest efekt jaki wykonuje – jonizacja materii

Promieniowanie to jonizuje (przekształca) obojętne elektrycznie atomy w jony o nieskomplikowanym ładunku. Podczas jonizacji atomy zostają pozbawione elektronów z powłoki walencyjnej i stają się jonem o ładunku dodatnim, odłączone elektrony są jonami ujemnymi. Promieniowanie jonizujące dzielimy na:

Źródłem cząstek α, β i promieniowania γ są jądra pierwiastków radioaktywnych. Promieniowanie rentgenowskie powstaje w procesie wyhamowania wysokoenergetycznych elektronów.

Promieniowanie korpuskularne

Promieniowanie elektromagnetyczne

Wyróżnia się promieniowanie X i γ. Nośnikami są fotony. Wykazuje najmniejszą zdolność jonizacji, ma największy zasięg

Energia ta może być różna, w zależności od tego czy elektron straci energię od razu w procesie jednego gwałtownego hamowania, czy też dozna najpierw kilku zderzeń niesprężystych z atomami anody tracąc przy tym część swojej energii a dopiero potem zostanie zahamowany. Wynika z tego, że promieniowanie emitowane przez lampę rentgenowską ma widmo ciągłe, czyli jest szerokim pasmem fal elektromagnetycznych o różnych długościach fal.

Mechanizmy oddziaływania promieniowania z obiektami biologicznymi

Cząstki promieniowania korpuskularnego posiadają duże energie kinetyczne co umożliwia im jonizację lub wzbudzenie atomów ośrodka pochłaniającego, przez który przechodzą

Jeżeli mamy cząstki β- to mogą one powodować jonizację bezpośrednią lub emitować energię elektromagnetyczną na skutek hamowania w polu atomu

Konsekwencją oddziaływania promieniowania korpuskularnego z materią są: elektrony, zjonizowane atomy, promieniowanie elektromagnetyczne, ciepło

Fotony jonizujące współdziałają z ośrodkiem według trzech różnych mechanizmów

We wszystkich przypadkach bezpośrednim skutkiem jest pojawienie się w ośrodku elektronów, zwanych często wtórnymi, które całkowicie lub częściowo przejmują energię fotonów, ulegających absorpcji lub rozproszeniu. Wtórne elektrony są właściwym czynnikiem jonizującym materię (tkankę)

Skutki promieniowania jonizującego

Skutki napromieniowania ciała dawką jednorazową: zmiany morfologiczne krwi, nudności, wymioty, utrata owłosienia, zaburzenia w tkankach krwiotwórczych, zgon. Promieniowanie jonizujące przechodząc przez obiekty biologiczne wywołuje w nich ciąg następujących po sobie procesów przesuniętych w czasie. Możemy wyróżnić trzy podstawowe fazy działania:

Zmiany te zależą od:

Wykorzystanie promieniowania jonizującego w diagnostyce i terapii

Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.

Radioizotopy wykazują aktywność promieniotwórczą.

Naturalne radionuklidy syntezowane są w gwiazdach, szczególnie podczas wybuchów supernowych

Niektóre izotopy (np. 14C) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu (promieniowania kosmicznego) z cząsteczkami atmosfery ziemskiej.

Sztuczne radionuklidy są wytwarzane przez człowieka głównie w reaktorach jądrowych oraz akceleratorach.

Izotopy promieniotwórcze znalazły wielorakie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.

7. POTENCJAŁY

Potencjał chemiczny (składnika), inaczej Współczynnik proporcjonalności, µi, wyraża liczbowo pracę wykonaną podczas zmiany liczby moli określonego składnika o 1, przy zachowaniu stałości ciśnienia, temperatury oraz ilości innych składników.

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Dyfuzja umożliwia zjawisko mieszania się substancji pozostających w fazie gazowej lub ciekłej. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej przez osiągnięcie jak najwyższej entropii i jak najniższej energii swobodnej.

$\ \frac{\text{dn}}{\text{dt}}$ - szybkość

L− współczynnik proporcjonalności

$D = \frac{\text{LRT}}{c}$ - współczynnik dyfuzji (zależy od: rodzaju substancji rozpuszczonej i rodzaju rozpuszczalnika, T, p)

Osmoza – dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.

Równowaga osmotyczna - liczba cząsteczek rozpuszczalnika przenikających przez membranę w obie strony jest jednakowa i układ jest w stanie równowagi (np. po obu stronach membrany mamy czysty rozpuszczalnik).

n1 – liczba moli rozpuszczalnika

n2 – liczba moli substancji rozpuszczonej

П = $\frac{\text{RT}}{V_{\text{mol}}}$$\frac{n_{2}}{n_{1}}$

n1 Vmol = V – objętość rozpuszczalnika w której rozpuszczono n2 moli substancji

$\frac{n_{2}}{V}$ - stężenie molowe substancji rozpuszczonej

P = CmolRT

Potencjał elektrochemiczny – pojęcie z zakresu elektrochemii - oznacza potencjał chemiczny jonu i w polu elektrostatycznym, odgrywa tę samą rolę, co potencjał chemiczny, ale w układzie, w którym zawierają się cząstki naładowane. Określa pracę, jaką należy wykonać, aby zmienić liczbę moli określonego składnika o 1 (substancja musi mieć ładunek), przy stałym ciśnieniu, temperaturze i niezmienionych ilościach pozostałych składników układu.

jeżeli w układzie są cząstki posiadające ładunki elektryczne (elektrolity, koloidy) to zmiana liczby moli któregoś ze składników jest związana z wykonaniem pracy chemicznej i elektrycznej, miarą tej pracy jest zmiana entalpii swobodnej tego składnika:

ΔGi = ΔWi = ΔWchem + ΔWelektr

ΔWchem = μiΔni – praca chemiczna

ΔWelektr = φΔqi – praca elektryczna związana z przeniesieniem ładunku elektrycznego Δqi w polu o potencjale elektrycznym φ

Δqi = z∙F∙Δni

z – liczba ładunków elementarnych związanych z cząsteczką, np. wartościowość jonu

F – stała Faradaya = 96 487 c/mol (określa ładunek elektryczny związany z 1 molem jonów 1+

ΔGi = μi ∙Δni + φ z F Δni

ΔGi = (μi + φ z F) Δni

μ= μi + φ z F – POTENCJAŁ ELEKTROCHEMICZNY

Potencjał elektrodowy danego metalu − to różnica potencjałów pomiędzy metalem i elektrolitem, gdzie przy określonej jej wartości ustala się stan równowagi i reakcja przebiega w dwie strony z jednakową prędkością:

ΔV = φMe + φelektr

Potencjał dyfuzyjny – powstaje na granicy 2 elektrolitów o różnych stężeniach. Warunkiem jego powstania jest różnica szybkości, z jaką dyfundują jonu w układzie. To różnica potencjałów elektrycznych, przy której w układzie ustali się stan stacjonarny:

ΔV = φ1φ2

Opisany jest równaniem Hendersona:

ΔV = $\frac{{(u}^{+} - \ u^{-})\ \text{RT}}{{(u}^{+} + \ u^{-})\ \text{zF}}$ ln $\frac{c_{1}}{c_{2}}$ u+ - ruchliwość kationu, u- - ruchliwość anionu

u = $\frac{}{E}$ [$\frac{m^{2}}{\text{Vs}}\rbrack$

Równowaga jonowa w błonie - np. gdy po obu stronach błony mamy zdysocjowany roztwór soli AB o różnych stężeniach. Błona przepuszcza tylko jony A, który dyfunduje z środowiska o większym stężeniu do tego o niższym i przenosi swój ładunek - a więc wytwarza różnicę potencjałów elektrycznych (która w efekcie go hamuje). Między tymi 2 siłami (różnicą potencjałów i siłą dyfuzji) wytwarza się stan równowagi. W przypadku żywej komórki liczba jonów dyfundujących jest znikoma i nie wywołuje żadnych zmian stężenia. To daje naturalność elektryczną obu układów.

Δφ = φIφII = $\frac{\text{RT}}{\text{zF}}$ ln $\frac{c^{\text{II}}}{c^{I}}$

Równowaga Donnana - np. w roztworze z solą AB - całkowicie zdysocjowaną, przedzielonym błoną, która przepuszcza jony A i B. W obszarze I jest wielkocząsteczkowy, zdysocjowany związek MA również zawierający jony A, ale jony M nie mogą przechodzić przez błonę. Stan równowagi osiągnie się, gdy sumy potencjałów elektrochemicznych przenikających przez błonę rodzajów jonów będą równe:

μAI + μBI = μAII + μBII

Gdy jony są jednowartościowe: cAI + cBI = cAII + cBII

Gdy jony są wielowartościowe (stężenia w tym wzorze w odpowiednich potęgach):

$\frac{c_{A}^{I}\ }{c_{A}^{\text{II}}\ }$ = $\frac{c_{B}^{\text{II}}}{c_{B}^{I}} = r$ - ILORAZ DONNANA (określa stosunki stężeń jonów po obu stronach błony w satnie równowagi)

r −  zależy od niedyfundujących jonów M, w takim wypadku potencjał błony to:

Δφ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\frac{c_{A}^{I}\ }{c_{A}^{\text{II}}\ }$ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\frac{c_{B}^{\text{II}}}{c_{B}^{I}}$ = $\frac{\text{RT}}{F}\ln\text{r\ }$POTENCJAŁ DONNANA

Potencjał oksydoredukcyjny

ε0 = $\frac{G_{\text{ox}}^{0} - \ G_{\text{rd}}^{0}}{\text{zF}}$

ΔG = - n zF Δε

5. WŁASNOŚCI ŻYWYCH KOMÓREK JAKO UKŁADÓW FIZYCZNYCH

Cechy odróżniające komórkę żywą od układów nieożywionych:

Źródła energii:

Uzyskiwanie energii przez komórki

TERMODYNAMICZNY PRZEPŁYW PRZEPŁYW BODZIEC T-D

(różnica potencjału Reakcja oksydoredukcji Powstanie ATP Potencjał

oksydoredukcyjnego) (przepływ elektronów) (fosforylacja) chemiczny ATP

Wykorzystanie energii przez komórkę - przejściowo magazynowana w związkach wysokoenergetycznych (głównie ATP), a dopiero później wykorzystywana do wykonania prac właściwych żywej komórce.

3 rodzaje pracy, jaką wykonują komórki:

Błony biologiczne - to złożone układy makrocząsteczek (gł. białek i lipidów). Spełniają funkcje niezbędne do życia

Transport aktywny - transport wbrew gradientowi, podtrzymuje bodźce, które zanikają przy transporcie biernym (który zwiększa entropię, co prowadzi do śmierci komórki).

Potencjał spoczynkowy - to wypadkowa różnica potencjałów na błonie w stanie stacjonarnym, na którą składają się potencjały równowagowe różnych jonów, np. K+, Na+, Cl-. Na jego powstawanie mają największy wpływ jony K+, ponieważ przepuszczalność dla nich przez błonę jest największa (w mniejszym stopniu mają też wpływ jony Na+ i Cl-). Suma prądów jonowych =0.

IK + INa + ICl = 0

Potencjał czynnościowy - powstaje, gdy pojawi się czynnik, który zaburzy potencjał spoczynkowy (w neuronie człowieka to ok. -90mV, do -55mV zostaje on wyregulowany do spoczynkowego przez mechanizmy regulujące, ale gdy wzrośnie powyżej -55mV w błonie uaktywniają się mechanizmy prowadzące do powstania pot. czynnościowego - najpierw powstaje faza depolaryzacji, potem faza repolaryzacji, potencjał następczy hiperpolaryzacyjny i potem depolaryzacyjny). Liczba jonów przepływająca jest bardzo mała w stosunku do wszystkich jonów.

Próg pobudliwości (potencjał progowy) - wartość potencjału powyżej którego powstaje potencjał czynnościowy.

Potencjał błonowy - znajdujący się na błonie komórkowej.

Potencjał równowagowy - określony dla danego rodzaju jonów, które są w równowadze (gradient stężeń jest niwelowany przez gradient ładunku - czyli różnicę potencjałów

Przewodnictwo elektryczne błony - zależy od jej przepuszczalności, zmienia się wraz ze zmianą stężenia jonów (ale przepuszczalność się nie zmienia). Czyli błona może być przepuszczalna dla danego rodzaju jonów, ale gdy ich stężenie wynosi 0 - to przewodnictwa nie będzie.

G = N / R

G - przewodnictwo elektryczne błony; N - liczba otwartych kanałów jonowych;

R - opór pojedynczego kanału

Przekazywanie informacji w układzie nerwowym

6. WIDMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Oko jako układ optyczny, składa się z: rogówki, cieczy wodnistej wypełniającej przednią komorę oka, soczewki i ciała szklistego.

Energetyka procesu widzenia : żeby zobaczyć obraz musi być dostarczona energia równa lub większa od 4*10 do -17J (bezwzględny próg czułości)

Widzenie barwne – zdolność organizmu do rozróżniania przedmiotów oparta na wrażliwości na długość fali (lub częstotliwość) światła, które przedmioty te odbijają, emitują lub przepuszczają. Układ nerwowy rejestruje kolor poprzez porównanie odpowiedzi na światło kilku rodzajów czopków w oku. Czopki te są wrażliwe na różne długości światła widzialnego. Dla ludzi zakres światła widzialnego wynosi około 380–740 nm. Zazwyczaj istnieją 3 rodzaje czopków. Zakres widzialności oraz liczba rodzajów czopków różnią się w zależności od gatunku.

Widzenie przestrzenne jest sumą wielu czynników:

Promieniowanie elektromagnetyczne - wykorzystanie:

W diagnostyce:

W terapii:

8. RUCHY MASY I ENERGII W ORGANIZMIE

Transport ciepła - to przekazywanie energii pomiędzy układami termodynamicznymi.

Sposoby wymiany ciepła z otoczeniem:


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
korektywa teoria opracowanie pytan, Fizjoterapia, ćw. korekcyjne
TEST BIOFIZYKA 2011 opracowane, biofizyka, BIOFIZYKA
Biofizyka pytania opracowane wykład 9
teoria - opracowanie pytań z leksykonu, Teoria państwa i prawa
Biofizyka pytania opracowane wykład 7
Teoria opracowanie
Inzynieria materialowa teoria opracowane pytania z zestawow i
Biofizyka moje opracowanie
Film Na ¦wiecie - kino faszystowskie(1), filologia, film teoria opracowania
Biofizyka, UMED wojlek I rok, Biofizyka, Biofiza, egzaminegzamin, Opracowania egzamin (Caesaris), Bi
fiza teoria opracowanie do druku
fiza teoria opracowanie z zeszłago romku
biofizyka 2008 - odpowiedzi 4, Biofizyka, testy, opracowania, ściągi
ZAGADNIENIA Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ, Fizyka Medyczna, STUDIA, Rok I, Semestr II, Analiza matematyczn
biofiz pyt opracowane

więcej podobnych podstron