Электромагниттік толқындар шкаласы

            КГМУ 4/3-04/01

                                                                         ИП №6 УМС при КазМА

                                                                                        от 14 июня 2007

 

 

 

 

 

ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК  МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ

 

МЕДИЦИНАЛЫҚ БИОФИЗИКА  ЖӘНЕ  ИНФОРМАТИКА КАФЕДРАСЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тәжірибелік сабақтарға арналған  әдістемелік  нұсқаулар

 

 

Тақырыбы: Спектрофотометрлік әдістерді биологиялық сұйықтардағы заттардың концентрациясын анықтау үшін қолдану..

Мамандығы:     «Жалпы медицина»

Пән:             медициналық биофизика

Курс:  I

Құрастырушы: Аға оқытушы Букеев.С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Қарағанды 2010жыл

 

.

 

Кафедра отырысында талқыланып, бекітілген

Хаттама _____

"____"__________2010___ж

 

Кафедра меңгерушісі, доцент _________  Б.К. Койчубеков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы «Биологиялық сұйықтардағы зат концентрациясын анықтау үшін спектрофотометрлік зерттеу әдістерін қолдану.»

Сабақтың мақсаты: Призмалық спектроскоптың құрылысы және жұмыс істеу принципі. Сапалық спектрлік анализ элементтерімен танысу.   

Оқыту талаптары

 Нәтижесінде  студент білуі керек:

 

• Оптикалық атомдық спектрлерді зерттеу және алу әдістері (жұту, жарық шашу).
• Аспаптардың құрылысы, қолданылуы (спектроскоп, монохроматор, спектрофотометр). Қанның жұту спектрін зерттеу;
• Медицинада сапалық және сандық спектралді талдау негіздері.

Тақырыптың негізгі сұрақтары:

• Корпускулярлы-толқынды дуализм. Жұту және шашу спектрлердің шығу көздері.
• Оптикалық атомдық спектрлерді зерттеу және алу әдістері (жұту, жарық шашу).
• Аспаптардың құрылысы, қолданылуы (спектроскоп, монохроматор, спектрофотометр). Қанның жұту спектрін зерттеу;
• Медицинада сапалық және сандық спектралді талдау негіздері.

 

 

Оқыту тәсілдері (кіші топтармен жұмыс)

 

 

1. Көшенов.Б  Меициналық биофизика  2008 Қарасай   2008
2. Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика.», Высшая школа, 2004. стр. 446-465.
3. Антонов В.Ф. и соавт. «Практикум по биофизике» М. ВЛАДОС 2001. стр.253-264.

Қосымша

1. «Биофизическая химия» том 2. Ч.Р. Кантор, П.Р. Шиммел М. МИР 1984, стр.10-63
2. «Физическая биохимия» Д.Фрайфелдер М. МИР 1980. стр.383-415.
3. Ревин В.В. и соавт. «Биофизика» Саранск 2002, стр.19-22

Тексеру(тақырыптың тексеру  сұрақтары):

 

 

1.  Қандай сәулені монохроматтық сәуле деп атайды?күрделі сәуле деп атайды?
2. Спектрлік құралдарды атаңыз?
3. Үздіксіз (тұтас)спектр деп нені атайды?
4. Қандай заттар тұтас спектр береді?
5. Сызықық спектр деген не?
6. Қандай заттар сызықтық спектр береді?
7. Жолақ спектр деген не?
8. Қандай заттар жолақ спектр береді?
9. Спектрлік анализ неден тұрады?
10. Медицинада спектрлік анализді не үшін қолданады?
11. Призмалық спектроскоптың құрылысын жазыңдар.
12. Эмиссиондық спектр деген не?
13. Абсорбциялық спектр деген не?
14. Закон Бугера-Ламберта-Бер заңы және оған кіретін барлық шамалардың физикалық мағынасы
15. Заттардың өткізу коэффициенті, үлгінің оптикалық тығыздығы. Связь между этими величинами. Өткізу коэффициенті мен  оптикалық тығыздық формуласына кіретін шамалардың өлшем бірліктері.
16. Спектрофотометрдің негізгі блокткры және олардың тағайындалуы.
17. Жарықтың жұтылуы мен шашырауы,бұл құбылыстардың физикалық негіздері.
18. Ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының жұтылу спектрлері,оларға тән толқын ұзындықтары.
19. Абсорбциялық спектрофотометрияның медицина мен фармацияда қолдану мысалдары.

 

Электромагниттік  толқындар шкаласы

 

Қазіргі заманғы көзқарас бойынша жарық фотондар деп аталынатын толқындық-корпускулалық қасиетібар ( яғни жарық толқындық және бөлшектік қасиетке ие болады)   бөлшектердің ағыны.Жарықты электромагниттік толқындардың бір түрі деп қарастырады,себебі жарық бір біріне перпендикуляр жазықтықта бір мезгілде тербелетін электр және магнит өрістері нің бағытталып толқын түрінде таралатын жиынтығы. Жарық толқынының негізгі сипаттамасы тербеліс жиілігі (электр және магнит өрістері Е , Н кернеуліктері векторларының). Жиілікпен  толқын ұзындығы, жарықтың вакуумдағы жылдамдығы байланыстары λ = сТ = c/ν,   формулаларымен берілген, с –жарықтың вакуумдағы жылдамдығы с = 3•10⁸ м/с, Т –тербеліс периоды.

Қозу шартына  және сәуле шығару қасиеттеріне сәйкес   толқындар жиілігі бойынша (немесе толқын ұзындығы бойынша ) электромагниттік толқындар шкаласын құрайтын бірнеше аймақтарға бөлінеді: радитолқындар, оптикалық сәуле шығару , рентгендік сәуле шығару гамма сәуле шығару. Бұл аймақтар шекарасы шартты түрде алынған, себебі олар көп мөлшерде сәуле шығару көздерімен  анықталады, сондықтан шекараларда бұл толқындар бірін бірі  өзара жауып қалуы да мүмкін.  (1сурет.).

1 сурет

.2 сурет.

Электромагниттік толқындардың  толқын ұзындығы 400 мкм ден 10 нм Ге дейінгі бөлігі оптикалық сәуле аймағы деп аталады. Оптикалық аймақтың толқын ұзындығы 760нм ден 380 нм Ге дейін сәулелері көзге  жарық  сезетіндей әсер етеді.Бұл көзге  көрінетін сәуле шығару аймағы. Ұзын толқынды аймақта көзге көрінбейтін  инфрақызыл, толқын ұзындығы қысқа аймақта көзге көрінбейтін  ее коротких волн - невидимое ультракүлгін сәулелер шығару толқындары орналасқан.

 

Спектр.

Электромагниттік сәуле  шығару спектрі монохроматты толқындардың толқын ұзындығы бойынша реттелген жиынтығы.Спектр жарық спектрі немесе электромагниттік толқындар спектрі деп атуларына қарай тарала береді.Спектрдің бізге белгілі түрі – табиғи кемпірқосақ. Күн сәулесінің үздіксіз,тізбекті түрде әр түрлі түстерге жіктелетінін алғаш рет экспериментальды көрсеткен И.Ньютон.( 1666жыл. ).

 

Спектрлерді зерттеу. Спектрлік құралдар.

 

Мөлдір заттан жасалған, үш қырлы призмада жүретін күрделі сәулелердің  дисперсиясына негізделіп жасалған,     ( көрінетін жарық үшін - ауыр шыны -флинт,  ультракүлгін сәуле үшін - кварц және инфрақызыл сәуле үшін – ас тұзы немесе сильвин) спектрлерді зерттеуге арналған құрал призмалық спектроскоп ( 4, б сурет. лабораториялық жұмыстың жазбасында берілген). Спектрограф ( 5 сурет: а – жалпы көрінісі және б - құрылымдық схемасы) - спектрлерді фотографиялауға арналған  күрделі құрал.Жарық   Д саңылау мен Л1 линза арқылы П дисперсиялық призмаға бағытталады, спектрлік жіктелген жарық шоғыры Л2 линза арқылы Ф фотопластинкаға  фокустеледі.

. 5 сурет

 Спектрлік құралдарды пайдаланып қажетті толқын ұзындығындағы  монохроматтық жарық алуға болады. Ол үшін екінші Л2 линзаның фокаль жазықтығына саңылауы бар диафрагма орналастырады. Ол спектрлерден қажет болған толқын ұзындығындағы спектрлік сызықты бөліп алып береді.Мұндай құрал монохроматор  деп аталады.

Cпектрлердің классификациясы.

Барлық спектрлер негізгі екі бөлікке бөлінеді: шығару спектрлері (немесе эмиссиондық) және жұтылу спектрлері. Олардың әрқайсысы өз кезегінде үздіксіз (тұтас ), жолақ және сызықтық спектрлерге бөлінеді.

Жарық және түсті сызықтар немесе жолақтардан тұратын спектрлер шығару спектрлері деп аталады. Олар заттар өте қатты қызғанда немесе электрондардың соққылауынан пайда болады. Ашық реңдер арасында қара бөліктерден тұратын жұтылу спектрлері ақ  түсті жарық жартылай мөлдір ортадан өткенде белгілі жиіліктегі сәулелердің жұтылуынан пайда болады.

.

 

6.сурет.Темірдің Fe шығару спектрі.

 

 

7 сурет. Оптикалық спектрлер мысалдары. Шығару спектрлері: 1- тұтас , 2-натрий спектрі, 3-сутегі спектрі, 4-гелий спектрі Жұтылу спектрлері: 5 Күн спектрі, 6-натрий спектрі, 7- сутегі спектрі, 8-гелий спектрі

 Сызықтық спектр белгілі бір толқын ұзынығында ғана болатын спектр.«сызық сөзінің мағынысынан». Жолақ спектр топтасып келетін сызықтардан тұрады.Жұтылу және шығару спектрлері әрбір зат үшін жеке болып келеді. Сондықтан оларды спектроскопия ғылымында  заттарды идентификациялау үшін қолданады.. Спектрлер заттардың атомдары немесе молекулаларындағы  электрондардың әр түрлі энергетикалық деңгейлері арасындағы өтулерінің нәтижесі. Электрондық өтулер электромагниттік сәуле шығаруға немесе оның жұтылуына әкеледі.

Эмиссиялық спектрлер (шығару спектрлері )  булар мен газдарды электрлік разрядтау жолымен, сұйық және қатты денелерді  өте жоғары температураға дейін қыздыру жолымен, (мысалы, газ горелкасының түссіз жалынымен қыздыру) қоздыру арқылы алынады.Жоғары  температурада бүлінетін органикалық заттар,  абсорбциондық спектрлер , немесе жұтылу спектрлерімен зерттеледі.Берілген мөлдір ортадан тікелей өтетін ақ жарықтың тұтас спектрінде құралатын қара сызықтар немесе жолақтар жиынтығы жұтылу   . спектрі деп аталады.Спектрлік құралда жұтылу   спектрін алу үшін ақ жарық көзімен мен ( мысалы  электр доғасы мен коллиматор саңылауы арасына немесе коллиматормен призма арасына ) зерттелетін зат орналастырылады.Мысалы , зерттелетін ерітендісі  бар жазықпараллель кювета .

 

.

Молекулалық спектрлер

Егер атомға аз энергия берілсе ,қозған деңгейге негізінен валенттік электрондар өтеді.Сәуле шығару жиілігі  спектрдің   оптикалық бөлігіне сәйкес келеді.Көзге көрінетін және оған жақын инфрақызыл мен ультракүлгін сәулелер). Реттік номері жоғары атомдарда энергияның көп бөлігі ішкі қабаттарға сәйкес келетін электрондардың деңгей аралық өтулеріне негізделеді.Электрондардың осы қабаттардағы өтулерінің сәулелері жоғары жиілікті  болып келеді және олар алыс ультракүлгін мен рентген сәулелеріне жатады..

Бір заттың молекулаларының сәуле шығару және жұтылу спектрлері атомдарға қарағанда күрделі Атомдарды молекулаға қосқанда валенттік электрондары бар қабаттардың конфигурациясы өзгереді.Қатты денелерде энергетикалық ческие зоналар құралады, осыған байланысты электрондардың  мүмкін болатын саны және оларға сәйкес спектрлік сызықтардың саны  да көп мөлшерде өседі.

 

Жарықтың  шашырауы және жұтылуы. Бугера-Ламберта-Бер заңы..

Заттық орта арқылы өткенде жарық толқыны біртіндеп әлсірейді.Бұл жарықтың шашырауы мен жұтылуына байланысты.

Жарықтың шашырауы біртекті емес орта  бөлшектерінің өзіндік өлшемдері  жарық тоқынының өлшеміндей  болған жағдайда жүреді. Ортаның біртектілігі  берілген ортаның массасында ретсіз таралған бөтен бөлшектерінен құралса , мұндай шашырау   Тиндаль құбылысы деп аталады. Берілген орта  - мөлдір емес орта,( мутными), ұсақ тұманды орта,түтін , әр түрлі шаң тозаң және эмульсиялар т.б блып келуі мүмкін. Мұндай құбылысты жіңішке күн сәулесінің шаңдатқан атмосферадан тура өту кезінде байқауға болады: жарық шаң- тозаң бөлшектерінде шашаырап сәуле шоғыры барлық жақтан да  көзге көрінетін болады..

 

Рис. 10

Жарықтың шашырауы кезіндегі  өзінің электромагниттік табиғатын сақтап қалады.жылулық қозғалыстың интенсивтігінің жоғарылауы ( жылулық эффект), возбуждение и ионизация атомдар мен ов и молекулалардың қозуы және иондануы, активация молекуллалардың белсенділігі (фотохимиялық эффект) және т.б..

Біртекті ортада параллель шоғырлы монохроматтық жарықтың жұтылу заңын Н. Бугер тағайындаған:Ортаның бірдей қалыңдықтағы  келесі қабатында оған түсетін жарық толқынының энергия ағынының бірдей бөлігі оның абсолют шамасына тәуелсіз   жұтылады. 

Осы заңның негізінде  қалыңдығы d ортадан өтетін жарық толқынының I_d интенсивтілігін,ор таның жарық түсетін бетіндегі I₀                                                                интенсивтілікті анықтаймыз.Ол үшін  берілген  ортаның бетінен X қашықтықта қалыңдығы dx бөлікті бөліп аламыз. ( 10, а сурет). Берілген бөліктегі толқындардың dI_x интенсивтілігінің және I_x интенсивтілігінің осы қабаттағы жұтылу салдарынан кемуі Бугер заңы бойыншаI_x                                                                                                                                                                        интенсивтілікке және қабаттың dx қалыңдығына пропорциональ өзгереді :

Мұнда α - пропорциональдық коэффициент .Теңдеуді былай жазуға болады: dI_x/I_x = - α dx.

Теңдеуді шешіп ,қалыңдығы  х = d қабат үшін мынадай өрнек аламыз:

I_x жарық интенсивтілігінің жарық өтетін  орта қабатының қалыңдығына тәуелді өзгеру графигі 10, б  суретте көрсетілген (экспоненциальдық  қисық сызық ).

Пропорциональдық коэффициент  α жұтылу көрсеткіші деп аталады және  затта жарықтың жұтылу қабылетін сипаттайды.