XІІ. КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ФОТОБИОЛОГИЯ.

Основные законы и формулы

Наименование величины или физический закон Формулы
Энергия кванта (фотона). скорость света   Соотношение между массой и энергией (формула Эйнштейна)   Закон поглощения света. и интенсивности света до и после поглощения слоем вещества толщиной ( показатель поглощения)    

 

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. В чём сущность квантовой теории излучения? Напишите формулу Планка.

2. Сформулируйте закон фотоэффекта. Почему эти законы нельзя объяснить на основе классической волновой теории света?

3. Напишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Напишите уравнение Эйнштейна, дающее связь между массой и энергией.

5. Какие физические явления определяют взаимодействие света с веществом?

6. Закон поглощения света (закон Бугера).

7. Перечислите типы фотохимических реакций, протекающих в биологических системах.

8. Дайте определение люминесценции. Сформулируйте правило Стокса.

9. Расскажите о применении люминесцентного анализа в ветеринарии и ветеринарно-санитарной экспертизе.

10. Каковы источники и свойства ультрафиолетового излучения?

11. Расскажите о биологическом действии ультрафиолетового излучения.

12. Каковы источники и свойства инфракрасного излучения?

13. Опишите свойства лазерного излучения. Расскажите о применении лазеров в биологии и ветеринарии.

 

Примеры решения задач

ЗАДАЧА № 1

 

Коротковолновое УФ-излучение с длиной волны оказывает наиболее выраженное бактерицидное действие, обусловленное изменением структуры белков, входящих в состав бактерий. Вычислить энергию, необходимую для изменения структуры этих белков. Ответ выразить в электронвольтах. Культура бактерий находится в чашке Петри диаметром Какое количество фотонов УФ-излучения попадает на поверхность культуры бактерий за если интенсивность облучения

 

Решение

Отсюда

 

Поэтому

Интенсивность потока излучения равна энергии, падающей на единицу площади поверхности за единицу времени. Энергия потока равна произведению энергии одного фотона на число фотонов, т.е.

Таким образом, Отсюда

Площадь круглой чашки Петри Следовательно,

Подставим числовые значения:

Ответ: энергия одного фотона на поверхность чашки Петри за 10мин попадает фотонов.

 

ЗАДАЧА № 2

 

При прохождении через кювету с окрашенным раствором лекарственного вещества интенсивность света уменьшилась на Определить показатель поглощения раствора. Во сколько раз уменьшится интенсивность света по сравнению с первым раствором, если концентрацию раствора увеличить в 5 раз? Толщина слоя раствора в кювете 8см.

 

Решение

       
   
В соответствии с законом Бугера интенсивность света, прошедшего через слой вещества толщиной уменьшается по экспоненциальному закону: где показатель поглощения вещества.
 
 


 

Отсюда Логарифмируя, получим:

Отсюда

По условиям задачи Преобразуя, получим:

Поглощение монохроматического света окрашенными растворами подчиняется закону Бера, согласно которому показатель поглощения прямопропорционален концентрации вещества в растворе, т. е. С, где показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Поэтому для растворов двух концентраций можно написать закон Бугера-Бера:

 

Логарифмируя, получим:

 

Отсюда

По таблицам логарифмов или с помощью микрокалькулятора находим, что

Таким образом, а по условиям задачи

Поэтому

Ответ: интенсивность света во втором растворе уменьшится и будет равна

 

Контрольные задачи

221. Для определения показателя поглощения сыворотки крови ее наливают в кювету и с помощью фотометра определяют, что интенсивность света, прошедшего через столбик сыворотки, уменьшается на по сравнению с интенсивностью падающего света. При прохождении через такую же толщу воды интенсивность света уменьшается на 3%. Вычислить показатель поглощения сыворотки если известно, что показатель поглощения воды равен

222. Лазерное излучение мощностью может вызвать ожог сетчатки глаза за время при площади пятна . Вычислить интенсивность потока лазерного облучения. Какое количество фотонов падает за это время на сетчатку, если длина волны излучения

223. Вычислить энергию фотонов, излучаемых гелий-неоновым лазером, если длина волны этого излучения Ответ выразить в джоулях и электрон-вольтах. Сколько фотонов излучает лазер в секунду, если его мощность

224. Фотоактивирование семян производят излучением гелий-неонового лазера мощностью Какое количество фотонов падает на поверхность семян в минуту? Длина волны излучений

225. Порог зрительного ощущения глаза человека в области его максимальной чувствительности при длине световой волны составляет . Какое количество фотонов падает при этом в глаз за одну минуту?

226. Мощность излучения Солнца составляет . Вычислить, какую массу теряет Солнце на излучение в одну секунду. Через сколько лет масса Солнца уменьшится вдвое?

227. Определить энергию, массу и импульс фотона, соответствующего: а) видимому свету (длина волны ), б) рентгеновскому излучению (длина волны ) и гамма-излучению (длина волны ).

228. Показатель поглощения подкрашенного раствора Какая толщина слоя этого раствора уменьшает интенсивность падающего света в 2 раза?

229. «Накачка» рубинового лазера, используемого в хирургии сетчатки, осуществляется в течении газоразрядной лампой мощностью , световой к.п.д. которой составляет . Продолжительность вспышки лазера . Какова мощность вспышки, если к.п.д. лазера

230. Вычислить показатель поглощения света жировой тканью, если при прохождении света через ткань толщиной интенсивность света уменьшилась на .

231. В лечебно-профилактических целях производят ультрафиолетовое облучение молодняка сельскохозяйственных животных лампами , дающими излучение с длиной волны . Интенсивность облучения . Какое количество фотонов попадает при облучении на поверхность тела животного площадью ?

232. Известно, что солнечный свет регулирует развитие растений, действуя на фитохром в узле кущения. Определить коэффициент поглощения света в стеблях растений, если на пути свет ослабляется в .

233 .Некоторые фотобиологические реакции связаны с диссоциацией молекул воды под действием света. Для диссоциации молекул воды необходима энергия . Какова длина волны света, вызывающего эту реакцию? Коротковолновое же УФ-излучение с длиной волны оказывает наиболее выраженное бактерицидное действие, обусловленное изменением структуры белков, входящих в состав бактерий. Вычислить энергию, необходимую для изменения этих белков.

234. При прохождении света через раствор крови в кювете высотой интенсивность света уменьшилась на . Определить концентрацию раствора, если известно, что для него удельный показатель поглощения в законе Бера равен .

235. В реакции фотосинтеза на образование одной молекулы расходуется фотонов. Какое количество световой энергии необходимо для образования при фотосинтезе кислорода? Длину световой волны принять равной . Коэффициент использования световой энергии .

236. В офтальмологии лазерный луч применяется для спайки отслоившейся сетчатки с поверхностью сосудистой оболочки. Энергия, необходимая для этой операции, равна Какова интенсивность лазерного луча, если он облучает поверхность сетчатки площадью и длительность импульса ?

237. Для разрушения раковой опухоли в полости рта животного необходима энергия светового пучка в . Опухоль облучали, лазерным пучком с интенсивностью . Опухоль круглой формы диаметром поглощает падающего на нее излучения рубинового лазера. Сколькими импульсами необходимо облучать опухоль, если длительность каждого импульса ?

238. Человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету (длина волны ), для которого порог чувствительности глаза соответствует фотонам, падающим на сетчатку за . Какой мощности света соответствует этот порог?

239. Какой изотоп образуется из после и ?

240. Какой изотоп образуется из радиоактивного после одного и одного ?

 

ТАБЛИЦЫ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ

Таблица 1

Основные физические константы в СИ

 

Название Символ  
Гравитационная постоянная Скорость света в вакууме Постоянная Авогадро Универсальная газовая постоянная Постоянная Больцмана Постоянная Фарадея Постоянная Планка Постоянная Стефана-Больцмана Постоянная Вина Заряд электрона Масса покоя электрона Масса покоя протона G С NА R k F h σ b e m mр   6,670·10-11 м3·кг-1·с-2 2,99793·108 м·с-1 6,02252·1023 моль-1 8,31441 Дж·К-1·моль-1 1,38054·10-23 Дж·К-1 9,6487·104 Кл·моль-1 6,62491·10-34 Дж·с 5,6697·10-8 Дж·м-2·с-1·К-4 2,8979·10-3 м·К 1,6021·10-19 Кл 9,1091·10-31 кг 1,67261·10-27 кг

Примечание. При решении задач числа необходимо округлять до количества знаков требуемых условиями задачи.

 

Таблица 2

 

Приставки для обозначения десятичных кратных и дольных единиц

 

Название приставки Обозначение   Коэффициент умножения, соответствующий приставке   Пример
Тера Гига Мега Кило Гекто Дека Деци Санти Милли Микро Нано Пико Т Г М к г да д с м мк н п 1012 109 106 103 102 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 Тераджоуль (ТДж) Гигаом (ГОм) Мегаом (Мом) километр (км) гектоватт (гВт) декалитр (дал) дециметр (дм) сантиметр (см) миллиампер (мА) микровольт (мкВ) нанометр (нм) пикофарада (пФ)

Примечание. При произношении ударение не должно приходиться

на приставку.

Таблица 3

Корни и натуральные логарифмы чисел от 1 до 10

 

  N   √ N     In N   N   √ N   In N
1,000 0,000 2,449 1,792
1,414 0,693 2,626 1,946
1,732 1,099 2,828 2,079
2,000 1,386 3,000 2,197
2,236 1,609 3,162 2,303

 

Таблица 4

Некоторые часто встречающиеся числа и их логарифмы

 

Число N In N Число N In N
π 3,14 0,497 √ π 1,772 0,248
2π 6,28 0,798 π2 9,870 0,994
4π 12,57 1,099 g 9,81 0,992
4/3π 4,19 0,622 e 2,718 0,434
π/2 1,571 0,196 1/e 0,368 1,793

 

Таблица 5

Греческий алфавит

 

Обозначения букв Название букв Обозначение букв Название букв
А,α В,β Г,γ Δ,δ Е,ε Z,ξ Н,η Θ,θ І,ι К,κ Л,λ М,μ альфа бета гамма дельта эпсилон дзета эта тэта йота каппа ламбда мю N,ν Ξ,ξ О,о П,π Р,ρ ,σ Т,τ Y,υ Ф,φ Х,χ Ψ, ψ Ω, ω ню кси омикрон пи ро сигма тау ипсилон фи хи пси омега

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….....2

Общие методические указания…………………………………………………3

Рабочая программа курса «Физика с основами биофизики»…………………3

Литература…………………………………………………………………………7

Указания к выполнению контрольной работы………………………………...8

Методические указания к разделам программы и контрольные……………10

Правила приближённых вычислений…………………………………………10

I. Вращательное движение твёрдого тела………………………………...13

II. Акустика………………………………………………………………… 20

III. Гидродинамика…………………………………………………………..25

IV. Свойства твёрдых и жидких тел……………………………………......32

V. Явления переноса………………………………………………………...38

VI. Термодинамика…………………………………………………………..43

VII. Электростатика. Постоянный ток………………………………………48

VIII. Биоэлектрические явления……………………………………………...53

IX. Переменный ток………………………………………………………… 59

X. Фотометрия………………………………………………………………….64

XI. Волновая оптика. Тепловое излучение…………………………………70

XII. Квантовая оптика. Фотобиология………………………………………74

Таблицы справочных данных………………………………………………….80

 
 
 

 

 


Составители:

Штейн Сергей Георгиевич,

Викулов Станислав Викторович,

Дзю Искра Михайловна.

 

 

ОСНОВЫ ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ

Методические указания

 

 

РедакторН.К.Крупина

Компьютерная вёрстка В.Н. Зенина

 

Подписано в печать 2 февраля 2016. Формат 84 108 32

Объём 4,2 уч.-изд.л., 5,2 усл.печ. .л. Тираж 100 экз.

Изд.№45. Заказ1545

 

___________________________________________________________________________

Отпечатано в издательском центре НГАУ «Золотой колос»

630039, Новосибирск, ул . Добролюбова, 160, каб. 106.

Тел.(383) 267-09-10. E-mail: 2134539@mail.ru