WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

«Д. А. Рогаткин, Н. Ю. Гилинская ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ДЛЯ ФИЗИОТЕРАПЕВТОВ Москва «МЕДпресс-информ» 2007 УДК 615.844.3 ББК 53.54 Р59 Все права защищены. Никакая часть данной книги не ...»

-- [ Страница 2 ] --

Величина модуляции несущего тока по амплитуде (то, насколько сильно периодически меняется амплитуда несущего тока в процен­ тах к ее максимальному значению) характеризуется таким понятием, как глубина модуляции. Она, соответственно, измеряется в процен­ тах, и для ситуации, изображенной на рисунке 5.5, глубина модуля­ ции составляет около 70%. Переменный ток (см. рис. 5.2) также мог бы быть рассмотрен нами как модулированный ток. В этом случае несущим являлся бы постоянный ток с амплитудой 1 мА, а глубина модуляции составляла бы порядка 20%, т.е. любые сложные токи можно с помощью теоремы Фурье рассматривать и как амплитуд­ но­модулированные токи, и как сумму токов с разными гармоника­ ми. С точки зрения физики и математики это одно и то же.

То же самое можно сказать и о частотно­модулированных токах.

В технике и физике есть такие токи, у которых для какой­либо i­й гармоники не амплитуда меняется во времени, подобно второму 62 Глава Рис. 5.5. Амплитудно­модулированный ток.

уравнению (5.5), а круговая частота является какой­либо функци­ i ей времени = f (t) и может описываться разными сложными урав­ i i нениями. Это более сложные токи. В физиотерапии они встречают­ ся много реже, но в быту мы сталкиваемся с ними довольно часто.

Многие музыкальные радиопередачи в эфире, например, ведутся се­ годня именно с частотной модуляцией для уменьшения помех и по­ вышения качества звука. Любая мелодия ведь тоже представляет со­ бой некую функцию I = f(t) изменения электрического тока в цепи звуковоспроизводящего устройства со временем. Используя эту функцию для модуляции частоты, получим частотную модуляцию i сигнала. Поэтому, когда, например, по радио называют непонятное сочетание букв FM, знайте: это произносят сокращённое англий­ ское frequency modulation ­ частотная модуляция.

Электрические цепи переменного тока имеют много особеннос­ тей по сравнению с электрическими цепями постоянного тока.

До сих пор мы говорили в основном лишь об определениях различ­ ных физических величин, характеризующих переменные токи. Те­ перь коротко рассмотрим, в чем, собственно, проявляются особен­ ности физики процессов в электрических цепях переменного тока.

В наибольшей степени это относится к формированию различных токов в цепях под действием приложенного к ним переменного на­ пряжения, падению токов и напряжений на сопротивлениях в цепи, т.е. потере мощности в цепи, и прохождению через цепь различных частотных гармоник тока.

Как и в цепях постоянного тока, связь напряжения и тока в цепи переменного тока может быть описана законом Ома. Однако для це­ пи переменного тока закон Ома носит более общий характер (обоб­ Переменный электрический ток и электромагнитное поле щенный закон Ома, или закон Ома для цепей переменного тока). В це­ пях переменного тока сопротивление цепи в подавляющем боль­ шинстве случаев не является константой, а зависит от частоты про­ текающего по нему тока, т.е. является функцией частоты тока. Если по цепи протекает сложный модулированный ток, то сопротивление цепи может быть различным для разных его частотных гармоник.

Тем не менее, мгновенное значение тока I(t) в цепи всегда будет определяться отношением мгновенного значения приложенного к цепи напряжения U(t) к общему сопротивлению в цепи Z():

I(t) = U(t)/Z(), (5.7) где Z() называется также полным (или комплексным) сопротивлением цепи. Оно зависит уже от частоты тока.

Как следует из (5.7), при одном и том же приложенном напряже­ нии ток в цепи может быть как маленьким, так и большим в зависи­ мости от Z(). Поэтому, скажем, такое встречающееся в физиотера­ пии название переменного тока, как «ток высокого напряжения», особенно часто упоминаемое при описании процедур дарсонвализа­ ции, не является в физике корректным. Один и тот же ток может быть создан как высоким, так и низким напряжением, просто в на­ чале XX в. переменные токи еще не умели создавать с помощью обычных генераторов переменного тока и в качестве источников то­ ка использовали высоковольтные конденсаторы, разряжая их с по­ мощью разрядников на присоединенную к ним цепь. Во время раз­ ряда в цепи появлялись всплески тока, которые и являлись действу­ ющим физическим фактором при ранних процедурах дарсонвализа­ ции. Но теперь­то мы знаем, что, согласно все той же теореме Фурье, любые всплески токового разряда в цепи могут быть представлены как разные гармоники обычного переменного тока, так что никаких особых токов «высокого напряжения» в природе не существует. Ток определяется мгновенными значениями напряжений, их частотным спектром и сопротивлением в цепи.

А что же конкретно в цепи переменного тока зависит от часто­ ты ? От частоты зависят отдельные составляющие полного сопро­ тивления, в частности ­ так называемые индуктивное и емкостное сопротивления цепи. Дело в том, что любые подвижные заряды в лю­ бой среде, которые и создают ток в среде за счет своего движения, обладают, как все материальные тела, определенной инертностью к движению. В общем случае, чем выше частота приложенного к це­ Для так называемых нелинейных сред может зависеть также и от амплитуд­ ной величины напряжения или тока. Такие среды часто встречаются в физике, но очень редко о них вспоминают и говорят в физиотерапии, хотя не исключено, что для каких­то отдельных частот и величин напряжений и токов биологические ткани могут являться нелинейной средой распространения тока.

Жак­Арсен д'Арсонваль (J.­А. d'Arsonval) ­ французский физиолог и физик, пред­ ложивший в 1892 г. использовать импульсный ток с лечебными целями.

64 Глава пи напряжения, тем сложнее инертным телам (зарядам) разгоняться и тормозить внутри среды, повинуясь навязанным им извне перио­ дам колебаний. Правда, любая материальная среда ­ это еще и очень сложная упругая механическая система, в которой, как правило, есть и собственные резонансные частоты. При резонансе амплитуда ко­ лебаний, как известно, возрастает, те. при некоторых особых часто­ тах или даже внутри целых частотных диапазонов заряды могут дви­ гаться намного быстрее, чем в других диапазонах, за счет уменьше­ ния механического сопротивления движению зарядов со стороны материальной среды. Одним словом, здесь проявляется целая палит­ ра различных физических явлений, и заранее предсказать для слож­ ной материальной среды, с какими частотами и какой по амплитуде потечет по цепи ток, весьма сложно.

Диэлектрическая и магнитная проницаемости среды ( и ), о которых шла речь в разделах элекро­ и магнитостатики, при нали­ чии переменного тока выступают уже в качестве сложных функций частоты () и (), а от них зависят все сопротивления, емкости и индуктивности в цепи. Поэтому и полное сопротивление в цепи будет для переменного тока уже весьма сложной функцией. В совре­ менной электротехнике и радиоэлектронике, правда, давно научи­ лись выбирать материалы для элементов цепи, для которых эта зави­ симость не столь существенна в определенном диапазоне частот, поэтому в практических расчетах электрических цепей формулы для расчета полного сопротивления цепи не так сложны, но и в них про­ является эта частотная зависимость. Обычно при инженерных рас­ четах полного сопротивления цепи с последовательным соединени­ ем нагрузок используется формула:

(5.8) где L и С ­ индуктивность и емкость цепи, часто принимаемые как константы, а R называется активным сопротивлением в цепи и соот­ ветствует сопротивлению цепи постоянному току. Слагаемое же в скобках под знаком корня называется реактивным сопротивлением цепи и представляет собой разность между индуктивным и емкост­ ным сопротивлениями в цепи. Именно они и вносят основную зави­ симость от частоты в расчетные формулы определения мгновенного значения тока в цепях с переменным током.

Из выражения (5.8) можно заметить, что полное сопротивление цепи имеет минимум, равный R, если индуктивное и емкостное со­ противления будут равны друг другу (слагаемое в скобке в этом слу­ чае обращается в ноль). Тогда как раз и говорят, что проявляется так называемый частотный резонанс в цепи. Ток при этом в цепи, естес­ твенно, становится максимальным. Из (5.8) легко можно явно выра­ зить значение частоты, для которой в цепи будет наблюдаться час­ тотный резонанс и произойдет резонансное уменьшение полного сопротивления и соответствующее резонансное увеличение мгно­ Переменный элетрический ток и электромагнитное поле венного значения тока в цепи. Найдем это выражение. Приравняем емкостное и индуктивное сопротивления в (5.8):

L = 1 / C.

Перенесем частоту со в левую часть уравнения, а индуктивность L — в правую. Извлекая после этого корень из обеих частей уравне­ ния, легко получить для искомой круговой частоты:

= 1/ \/LC.

Или, для обычной частоты колебаний (см. выражение (1.11)):

= 1/ 2 \/LC, (5.9) которая в физике часто именуется томсоновской частотой резонан­ са. Эта формула характеризует частоту, на которой возникает резо­ нанс колебаний переменных токов в колебательном контуре. Для физиотерапевта не столь важна сама формула (5.9), сколько понима­ ние принципа возникновения резонанса при колебаниях тока в це­ пи. Любая биологическая система, ткань, орган, клетка ткани и т.д.

представляет собой сложную систему активных сопротивлений, ин­ дуктивностей и емкостей с точки зрения теории электричества. Про­ текание переменного тока по такой цепи может приводить к целому ряду резонансных процессов и явлений на уровне отдельных участ­ ков тканей, клеток или молекул (по крайней мере, с точки зрения те­ оретической физики). Но этот вопрос сегодня очень плохо изучен в части практических приложений резонансных явлений в медици­ не, выявления показаний и противопоказаний к ним, предсказаний ближайших и отдаленных последствий их проявления в каждом кон­ кретном случае для каждого конкретного пациента.

Мощность в цепи переменного тока (точнее, мгновенная мощ­ ность в цепи переменного тока) определяется произведением мгно­ венных значений переменного тока и напряжения для одного и того же выбранного момента времени t:

.

W(t) = I(t)U(t).

(5.10) Вильям Томсон (1824­1907), он же лорд Кельвин ­ знаменитый ирландский фи­ зик. Стал студентом университета в Глазго в 10 лет (!). В 12 лет вышла его первая науч­ ная работа по теории теплопроводности, а в 22 года он уже стал известным профессором названного университета.

Колебательный контур ­ электрическая цепь, состоящая из соединенных парал­ лельно индуктивности и емкости. При данной частоте, если в цепи нет активного сопро­ тивления Л, полное сопротивление цепи становится равным нулю и колебания тока в таком контуре могут, теоретически, продолжаться бесконечно долго с максимально возможной амплитудой.

66 Глава Наличие реактивных сопротивлений в цепи, как правило, приво­ дит к сдвигу фаз колебаний напряжения и тока в цепи, поэтому вы­ числение мгновенной мощности в цепях переменного тока ­ задача весьма непростая. Часто ее решают путем разбиения мощности на активную и реактивную составляющие ­ на мощности, выделяемые в цепи (потребляемые в цепи) отдельно активными (R) и реактивны­ ми (L и 1/C) сопротивлениями соответственно. При этом актив­ ная мощность измеряется, как и для цепей постоянного тока, в ват­ тах (Вт), а единицей измерения реактивной мощности является вольт­ампер реактивный (вар). Но, к счастью, все расчеты за физио­ терапевтов делают физики и инженеры, поэтому столь детальные подробности врачам не так уж и важны. Кроме того, часто все расче­ ты сводят к нахождению полной мощности в цепи через действую­ щие значения токов и напряжений, что намного проще. По опреде­ лению, полная мощность — это произведение действующих значений напряжений U и тока I в цепи, поэтому расчет полной мощности аналогичен формуле (3.4). Отличие только в размерности величин.

Полная мощность в цепи переменного тока измеряется в вольт­ам­ перах и обозначается в технической документации на приборы со­.

кращенно В А или просто ВА. В этом основное отличие. Если же ре­ активная компонента мощности мала по сравнению с активной ком­ понентой, значение полной мощности будет близко к значению по­ требляемой цепью активной мощности (Вт).

Но все же самое уникальное отличие цепей переменного тока от цепей с постоянным током заключается в возникновении вокруг проводника с переменным током переменного магнитного поля.

Представьте себе движущийся заряд д. Согласно теории постоянно­ го тока и постоянного магнитного поля вокруг заряда, движущегося с постоянной скоростью вдоль прямой линии, формируется вихре­ вое магнитное поле, как было изображено на рисунке 4.3. Собствен­ но, в этом была суть открытия Эрстеда в 1819 г Однако если заряд будет двигаться с переменной скоростью в проводнике с током, во­ круг такого проводника магнитное поле по своей абсолютной вели­ чине будет меняться во времени. Если же при движении заряда будет еще и периодически меняться направление его движения на проти­ воположное, магнитное поле вокруг такого заряда станет «знакопе­ ременным»: направление силовых линий магнитного поля в прос­ транстве начнет периодически меняться на противоположное в такт с изменением направления движения заряда. Сложный динамичес­ кий характер электрического тока будет порождать сложное динами­ ческое магнитное поле. Это очень интересное явление. Не случайно после сообщения в 1820 г. об открытии Эрстеда десятки, если не сот­ ни экспериментаторов ринулись повторять его опыты и придумы­ вать все новые и новые демонстрации причудливых порождений электрическими токами магнитного поля. Но только М.Фарадей в своем дневнике в 1821 г. сделал для себя, на первый взгляд, про­ стенькую рабочую пометку, которая и определила все дальнейшее Переменный электрический ток и электромагнитное поле развитие электродинамики: «Превратить магнетизм в электричест­ во». На решение этой задачи у Фарадея ушло около 10 лет.

Вроде бы задача была очевидной и не такой уж и сложной. Раз ток порождает магнитное поле, почему не может быть наоборот? Фа­ радей экспериментировал с разными устройствами: располагал сильный магнит рядом с медной проволокой, соединенной с гальва­ нометром, и пытался зарегистрировать ток в проволоке при помощи гальванометра ;

использовал вместо постоянного магнита неболь­ шую катушку с постоянным током для создания постоянного маг­ нитного поля около медной проволоки и т.д. Но все было тщетно.

Постоянное магнитное поле не порождало ток в проводе. И только 29 августа 1831 г. смастерив устройство, состоящее из двух больших катушек с витками из медной проволоки, намотанных на один дере­ вянный каркас (прообраз современных трансформаторов), ему уда­ лось совершить задуманное. Одна из катушек замыкалась на источ­ ник напряжения - вольтов столб, те. служила источником магнит­ ного поля, а вторая подсоединялась к гальванометру Фарадей замы­ кал и размыкал ток в первой катушке и наблюдал отклонение стрелки гальванометра. В момент замыкания и размыкания цепи он обнаружил резкие единичные отклонения стрелки гальванометра, причем в моменты замыкания и размыкания цепи стрелка гальвано­ метра отклонялась от положения нуля в разные стороны. А как толь­ ко в цепи первой катушки устанавливался режим постоянного тока, стрелка гальванометра неизменно возвращалась на нулевую отмет­ ку Вскоре опыт был повторен и с постоянным магнитом, который вводился внутрь катушки с проводом. Непосредственно в момент движения магнита внутри катушки в катушке фиксировались всплески тока. Так был сделан вывод, что для наведения тока в про­ Ныне такие приборы называются амперметрами (миллиамперметрами, микроам­ перметрами и т.д.).

Редкий случай в истории физики, когда точно известен день величайшего откры­ тия.

В первые моменты сразу после замыкания или размыкания цепи в катушке с то­ ком происходят переходные процессы, и ток не является постоянным. В частности, это связано и с тем самым явлением, которое и исследовал Фарадей - явлением электромаг­ нитной индукции: возникающий в катушке ток создает магнитное поле, которое, в свою очередь, создает ток не только во второй, но и в этой же самой, первой катушке, причем этот наведенный ток направлен в противоположную сторону (имеет другой знак). Он как бы препятствует появлению тока в катушке, что и «затягивает» процесс появления тока во времени.

Вне зависимости от таланта Фарадея только случайность помешала открыть это явление раньше другому физику — швейцарцу Колладону. Он также пытался получить электрический ток в катушке с проводом, вдвигая внутрь катушки постоянный магнит.

Понимая, что эффект наведения тока в катушке может быть мал, чтобы магнит не ока­ зывал непосредственного влияния на стрелку гальванометра, Колладон вывел концы катушки с гальванометром в другую комнату. Вставив магнит в катушку в одной комна­ те, он шел в другую комнату смотреть на гальванометр и каждый раз убеждался, что стрелка прибора неподвижно стоит на нуле. Судьба оказалась к Колладону не столь бла­ госклонна, как к Фарадею...

68 Глава воднике необходимо изменяющееся во времени магнитное поле.

Возникновение тока в цепи в этих экспериментах Фарадей назвал явлением индукции тока.

Сегодня, имея представление о других законах и явлениях элект­ ричества и магнетизма, явление возникновения электромагнитной индукции можно объяснить многими способами. Например, если расположить и двигать прямой металлический проводник со скорос­ тью V поперек силовых линий магнитного поля, которое создано по­ стоянным магнитом, можно также в проводе обнаружить движение зарядов, т.е. электрический ток. В данном случае в качестве э.д.с. ин­ дукции выступает сила Лоренца (см. формулу (4.4)), которая дейст­ вует на свободные заряды в движущемся проводнике (электроны), как бы выталкивая их из магнитного поля магнита вдоль по провод­ нику к его концам.

После открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции развитие электродинамики и общей теории электромагнетизма еще больше ускорилось. Однако окончательный и современный физи­ ко-математический вид теория электромагнитного поля приобрела только после работ Дж. Максвелла. Он сумел объединить все законы электростатики, магнитостатики, электрического тока и переменно­ го магнитного поля в единую теорию. Теория Максвелла очень кра­ сива, но, к сожалению, сами уравнения теории - знаменитые урав­ нения Максвелла — достаточно сложны для изложения на элементар­ ном уровне. Они записываются в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных от комплексных векторных вели­ чин, так что даже студенты физико-технических специальностей ву­ зов тратят не один месяц на их понимание и изучение. Тем не менее, можно попытаться обычными словами выразить основную суть тео­ рии Максвелла в объеме, достаточном для базовых знаний врача клинициста.

Согласно теории Максвелла изменения в среде пространствен­ ной конфигурации электрического поля порождаются изменением во времени магнитного поля. Изменения же в среде пространствен­ ной конфигурации магнитного поля порождаются как изменением во времени электрического поля (токами смещения), так и обычным током проводимости. Источниками в среде электрического поля яв­ ляются электрические заряды, как и в законе Кулона, а вот источни­ ков магнитного поля (магнитных зарядов, или, как их еще называют, магнитных монополей) в природе не существует. Общее электромаг­ нитное поле порождается движущимися электрическими зарядами, но если просто движущийся с постоянной скоростью электрический заряд порождает стационарное магнитное поле, то заряд, движущий­ Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) - один из наиболее выдающихся физиков мира, выходец из знатного щотландского рода. Его теория по значимости стоит в одном ряду с теориями Ньютона и Эйнштейна. Она определила все последующее развитие фи­ зики, радиофизики и электроники вместе взятых на все последующие более чем 100 лет.

Переменный электрический ток и электромагнитное поле ся с ускорением, и, в частности, колеблющийся в пространстве заряд (при колебаниях заряд постоянно то разгоняется, то тормозит и ме­ няет направление своего движения на противоположное), порождает переменное электромагнитное поле. В этом переменном поле от­ дельно его электрическая и магнитная составляющие как бы посто­ янно порождают друг друга в пространстве, поэтому поле может рас­ пространяться на большие расстояния от места расположения источ­ ника. При очень малых ускорениях и медленных колебаниях зарядов поле в пространстве практически неотличимо от соответствующих стационарных электростатического и магнитостатического полей.

Если же ускорение зарядов резко возрастает, это приводит к резким «всплескам» электромагнитного поля в пространстве около заряда.

Поскольку при изменении электрической и магнитной составляю­ щих поля они взаимно снова порождают друг друга, но на расстоянии чуть дальше от источника, весь «всплеск» или импульс поля плавно перемещается в пространстве как единое целое. Так порождается и перемещается в пространстве электромагнитная волна.

Наглядно представить себе распространение электромагнитной волны можно с помощью изображения изменения силовых линий магнитного и электрического поля (Е и H) в пространстве (рис. 5.6).

Эти линии в общем случае однородной и изотропной диэлектричес­ кой среды перпендикулярны направлению распространения волны и перпендикулярны друг другу, т.е. электромагнитная волна являет­ ся волной поперечных колебаний векторов Е и H в пространстве.

Плоскость колебаний вектора Е определяет так называемую плос­ кость поляризации электромагнитной волны. Это очень важное поня­ тие. Поляризованной считается волна, у которой есть какое-либо од­ но выделенное направление (плоскость), в котором преимуществен­ но и совершает колебания вектор Е. Если он все время совершает ко­ лебания в одной и той же плоскости, как бы вдоль одной прямой линии, как показано на рисунке 5.6, то говорят, что волна линейно по­ ляризована. Бывают случаи, когда вектор Е по пути своего распрост­ ранения меняет плоскость поляризации. Например, он может в прос­ Направление распространения волны Рис. 5.6. Электромагнитная волна в диэлектрической среде (вакууме).

70 Глава транстве закручиваться подобно штопору Тогда говорят о круговой поляризации волны. Если же вектор Е произвольным образом (хаоти­ чески) во времени меняет свою плоскость поляризации, такая волна считается неполяризованной. Но в любом случае вектор H при этом будет в вакууме всегда в каждый конкретный момент времени оста­ ваться перпендикулярным вектору Е, т.е. он также будет менять свою плоскость колебаний (плоскость поляризации), следуя за Е.

В последнее время, отметим, в физиотерапии стали появляться приборы, создающие некое «вращающееся магнитное поле». Слож­ но сказать, что под этим подразумевают разработчики в каждом кон­ кретном случае, но можно предположить, что такой прибор создает обычное электромагнитное поле с медленно вращающейся во вре­ мени плоскостью поляризации волны и, в частности, плоскостью колебаний вектора Н.

Электромагнитная волна, как и любой другой волновой процесс, может характеризоваться скоростью своего распространения и, час­ тотой колебаний ( или ), периодом колебаний T и длиной волны в пространстве (вспомните формулу (1.16) и раздел звуковых меха­ нических волн). Она также несет с собой и энергию поля, но для практических задач медицины удобнее характеризовать электромаг­ нитную волну через ее поверхностную плотность мощности, т.е. энергию, удельную во времени и одновременно удельную по площади поверхности, на которую эта волна падает:

П = [Е х Н], (5.11) где П ­ вектор (мгновенное значение) поверхностной плотности мощности электромагнитной волны (Вт/м ), а в квадратных скобках указана операция векторного перемножения векторов Е и Н. Тройка векторов Е, H и П образует правую тройку векторов, как показано на рисунке 5.6. В практических расчетах для определения мощности, которая падает на площадку S, надо модуль вектора П по (5.11) умножить на площадь поверхности S и найти среднее значение это­ го произведения за период колебаний волны. Не вдаваясь в подроб­ ности, подскажем сразу, что модуль среднего значения вектора П можно найти через модули векторов Е и Н следующим образом:

Всегда помните, что, согласно основным положениям теории Максвелла, любое изменение во времени магнитного поля приводит к возникновению электрического по­ ля и наоборот, т.е. в таких случаях всегда возникает полноценная электромагаитная вол­ на. Нельзя создать прибор, генерирующий отдельно только переменное электрическое или отдельно только переменное магнитное поле.

Слово «удельная» означает в физике «на единицу чего­то» или «в единицу чего­то».

В данном случае имеется в виду «в единицу времени» и «на единицу площади поверхнос­ ти».

Вектор П называется в классической электродинамике вектором Пойтинга, а во многих русскоязычных (советских) руководствах ­ вектором Умова­Пойтинга.

Переменный электрический ток и электромагнитное поле (5.12) Чтобы лучше понять эти формулы, определим, в качестве расчет­ ной задачки, какую поверхностную плотность мощности создает электромагнитная волна в вакууме (воздухе) с действующим значе­ нием, например, Е = 100 В/м. Это примерно та фоновая напряжен­ ность электростатического поля, которую создает наша планета Зем­ ля. Для вакуума (и воздуха с большой степенью точности) относи­ тельные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды = = 1, поэтому сразу из первого равенства (5.12):

(5.13) Как видим, получилась не такая уж и маленькая плотность мощ­ ности — порядка 1,3 мBт/cм.

Для любых изотропных (однородных) сред из (5.12) следует, что модули векторов Е и Н связаны между собой простым соотношением:

(5.14) Поскольку в физиотерапии более употребительной величиной является вектор магнитной индукции В, с учетом формулы (4.1) со­ отношение (5.14) можно переписать в виде:

(5.15) где В — модуль вектора магнитной индукции (Тл). Вычислим, как продолжение примера, какую же магнитную индукцию создает в вакууме (воздухе) указанная выше электромагнитная волна с Е = 100 В/м:

Как мы видим, полученное расчетное значение существенно меньше обычно используемых в физиотерапии значений магнитной индукции. Это говорит о том, что обычная электромагнитная волна, даже с такой плотностью мощности, как в (5.13), т.е. 1,3 мВт/см, не может создать значений магнитной индукции, которые обычно при­ няты в практике физиотерапии. Следовательно, механизм взаимо­ действия электромагнитных волн с биологическими тканями дол­ жен быть несколько иным, нежели при взаимодействии биотканей отдельно с электростатическим и магнитостатическим полями.

Основной особенностью динамического электромагнитного поля.

Физиотерапевтические приборы создают сильные магнитные поля за счет посто­ янных или специальных электромагнитов.

72 Главе по сравнению со статическими полями, является перенос энергии электромагнитной волной по (5.11) и (5.12). Постоянные же элект­ рические и магнитные поля, обладая собственной энергией поля, не осуществляют ее перенос в пространстве.

Из уравнений Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитной гармонической волны (и скорость переноса энер­ гии соответственно) в любой изотропной материальной среде можно определить по формуле:

(5.16) Для вакуума эта скорость точно определяется введенными двумя фундаментальными физическими константами и, так как = 0 = 1. Удивительно, но она численно оказалась в точности равной скорости света с:

(5.17) Попробуйте убедиться в этом и вычислить ее самостоятельно.

С учетом (5.16), кстати, соотношение (5.15) приобретает очень про­ стой, понятный и легко запоминаемый вид:

(5.18) Это соотношение справедливо для любых случаев однородных и изотропных материальных сред, если рассматривается, конечно, единая электромагнитная волна, а не отдельно электростатическое и магнитостатическое поля.

В материальной среде при обычных условиях скорость распрост­ ранения электромагнитной волны будет меньше скорости света в ва­ кууме, т.е. < с. Отношение этих скоростей по определению называ­ ется коэффициентом преломления среды п*. Это безразмерная вели­ чина, определяемая из (5.16) и (5.17) как:

(5.19) Именно коэффициентом преломления определяются все свойст­ ва и особенности материальной среды по взаимодействию с элект­ ромагнитной волной.

В общем случае однородной проводящей среды коэффициент пре­ ломления является сложной (комплексной) функцией диэлектрических и электропроводных свойств среды. Мы не будем здесь вводить особое математическое понятие комплексных величин, хотя оно и очень эффект­ но в некоторых задачах электродинамики. Просто запомните, что если материальная среда является идеальным диэлектриком (изолятором), то п* = п ­ обычная действительная величина, определяемая по (5.19) че­ рез действительные величины и. Если же среда хоть в малейшей сте­ Переменный электрический ток и электромагнитное поле пени является проводником, то коэффициент преломления п* пред­ ставляет собой уже, условно, сложную комплексную сумму действи­ тельного слагаемого п и некоторого «мнимого» слагаемого, прямо про­ порционального электропроводности среды. Выражение (5.19) при этом все равно остается справедливым, просто в нем становится тоже комп­ лексной величиной. Но это уже не так и важно. Важно здесь то, что при = 0 среда называется идеальным диэлектриком и не поглощает элект­ ромагнитную энергию, которая через нее проходит. Идеальные диэлек­ трики просто пропускают через себя электромагнитную волну без по­ терь энергии. Потери же электромагнитной энергии происходят только в реальных, проводящих ток средах. А все биологические ткани, особен­ но жидкости, как раз и являются реальными материальным средами, в той или иной степени проводящими электрические токи.

В предыдущих разделах физики при упоминании потерь энергии в среде мы оперировали такими понятиями, как сопротивление или импеданс среды (вспомните формулы (1.14), (3.4) или (5.8)). Здесь, в электродинамике, тоже по аналогии с другими разделами вводится понятие импеданса среды, который определяет свойства среды «со­ противляться» прохождению сквозь нее электромагнитной волны.

Импеданс среды Z определяется выражением:

(5.20) И измеряется он в омах, как и сопротивление в электрических це­ пях. Приятно иногда обнаружить уже хорошо знакомые понятия в но­ вых и достаточно сложных разделах физики! Для вакуума при = = импеданс равен примерно 377 Ом (проверьте это расчетами). Все дру­ гие среды имеют, как правило, меньший импеданс, так как обычно >. Так что в электродинамике есть некоторая особенность в опреде­ лении импеданса. Поэтому часто в теории электромагнетизма импе­ данс называют ещё волновым сопротивлением среды, в отличие от обыч­ ного электрического сопротивления проводников с током. Волновое сопротивление отвечает за поглощение энергии электромагнитных волн в среде. Проходя материальную среду, электромагнитные волны наводят в ней электрические токи и магнитные поля. Электрические токи испытывают сопротивление среды, магнитные поля ослабляются (усиливаются), и энергия волны, в общем случае, теряется в среде.

Происходит, например, нагрев среды. Это тоже сегодня всем хорошо известное следствие уравнений Максвелла. Принцип действия СВЧ­ печей основан именно на этом явлении. Это же явление положено и в основу физиотерапевтического действия процедур УВЧ­терапии.

Импеданс среды, вследствие частотной зависимости параметров среды и, является также функцией частоты колебаний электро­ магнитной волны V, поэтому волны разной частоты по­разному взаимодействуют с материальной средой и имеют разную способ­ ность распространяться в окружающем пространстве. Это проявля­ ется разными физическими свойствами волн с разной частотой.

74 Глава Рис. 5.7. Шкала электромагнитных волн.

Для удобства восприятия сегодня весь мыслимый частотный диапа­ зон электромагнитных волн условно разделен на ряд поддиапазонов, имеющих свои обособленные названия и сгруппированных по при­ знакам их восприятия человеком или специфического их использо­ вания в технике, причем у этих поддиапазонов нет физически обус­ ловленных четких границ. Границы придуманы человеком. Теория Максвелла утверждает, что все существующие в природе излучения, от радиоволн до рентгеновского и ­излучения, суть одно и то же фи­ зическое явление. Все это ­ электромагнитные волны с разной час­ тотой колебаний v и длиной волны Я, которые связаны между собой соотношением (1.16). Поэтому и появилась возможность классифи­ кации всех электромагнитных излучений по единой шкале, упро­ щенно изображенной на рисунке 5.7.

Одним из самых замечательных следствий теории Максвелла, помимо теоретического предсказания существования радиоволн и теоретического обоснования скорости их распространения, явля­ ется доказательство электромагнитной природы света. Свет, как всем сегодня хорошо известно, суть тоже электромагнитная волна, но более высоких, чем радиоволны, частот. Об этом мы и поговорим в следующем разделе, тем более что рассматривать особенности фи­ зики взаимодействия электромагнитных волн с веществом с точки зрения практических задач физиотерапии проще, нагляднее и удоб­ нее именно на примере световых явлений.

Глава 6. СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА Нет, пожалуй, в природе более красочного, удивительного, многообразного и противоречивого физического явления, чем свет. Световые (или, как их еще называют, оптические) явления со­ ставляют предмет изучения очень большого числа разделов в со­ временной физике. Можно выстроить из них целый длинный ряд:

фотометрия, геометрическая оптика, оптическая спектроскопия, нелинейная оптика, квантовая оптика и т.д. Свет несет нам самую богатую информацию о свойствах окружающего мира. С первых дней своего рождения человек сталкивается со светом и практичес­ ки всю жизнь, если здоров, пользуется двумя уникальными опти­ ческими приборами - своими глазами. Однако этого бы не про­ изошло, если бы все пространство вокруг нас не было пронизано светом.

Основной световой поток на Земле образуется за счет излучения Солнца. Солнце, как естественный источник света и тепла, всегда привлекало внимание человека. С ним связано много легенд, а в Древнем мире ему поклонялись как божеству На многочислен­ ных барельефах египетского фараона Аменхотепа IV (Эхнатона, му­ жа Нефертити) он изображен под лучами, исходящими от Бога Сол­ нца Атона, держащего знак жизни. Луна и звезды — тоже определен­ ные естественные источники света для Земли, правда, «холодные».

Первыми же искусственными источниками света для человека были свечи, факелы и костры, от которых человек, как и от Солнца, мог получать не только свет, но и тепло. Последнее обстоятельство по­ зволяло людям уже в древние времена проводить простейшие лечеб­ ные процедуры с их помощью. Первым врачом, в трудах которого можно найти упоминание о целебной силе солнечного света и тепла, был Гиппократ. Более подробно о благотворном влиянии солнечного света и тепла на человека писали древние врачи Гален и Авиценна.

В средние века французский врач Фор опубликовал серьезный науч­ ный труд по лечению трофических язв ног солнечным светом, а в конце XIX в. датский физиотерапевт Н.Финсен доказал возмож­ ность лечения туберкулеза кожи (волчанки) и кожной оспы ультра­ фиолетовым и красным светом соответственно, за что в 1903 г. полу­ чил Нобелевскую премию по медицине.

Наиболее ранние из известных сегодня научных попыток система­ тически описать оптические явления с точки зрения физики связаны 76 Глава Отраженный свет Падающий свет Рис. 6.1. Отражение света от зеркала.

с именем греческого философа Емпидокла и относятся к 490­430 гг.

до н.э. Древние греки ввели понятие лучей света и считали, что лучи исходят из глаз людей. Именно так понимали они выражение «свет очей». И только Аристотель, ученик Платона, высказал предположе­ ние, что свет — это нечто, попадающее в глаза. О прямолинейности распространения света на основе повседневного опыта писал основа­ тель геометрии Евклид. Но все это были лишь первые робкие шаги в познании физической сути и разносторонних свойств света.

Естественно, первоначально людьми были замечены самые бро­ сающиеся в глаза оптические явления, но их начальное толкование не всегда полностью и сразу соответствовало истине. Так, из своего жизненного опыта люди давно знали о явлении отражения света, не­ разрывно связанного в сознании простого человека с понятием зер­ кала, хотя отражать свет может не только зеркало. В этом явлении интуитивно кажется, что луч света отражается от «зеркала» подобно мячику, отскакивающему от стены (рис. 6.1).

При этом угол падения света оказывается в точности равен уг­ лу отражения. Может быть, такая аналогия и породила у древних представление о свете как о потоке маленьких шариков ­ частиц света. Тогда объяснить закон отражения можно чисто логическими рассуждениями, что свет всегда выбирает по времени самый крат­ чайший путь для своего движения (принцип наименьшего времени Герона-Ферма ). Такой подход к пониманию природы света называ­ ется сегодня корпускулярной теорией света. Он долго господствовал Того самого французского математика Пьера Ферма (1601­1665), который загадал людям очень сложную задачку в виде своей Последней, или Великой, теоремы (теоремы Ферма). Более 350 лет велся поиск ее доказательства, но только в 1995 г. профессору Принстонского университета Эндрю Уайлсу удалось доказать теорему, правда, при по­ мощи очень сложной теории «модулярных кривых» (за что ему в 19% г. по праву была присуждена обещанная премия Вольфскеля). Элементарное же доказательство этой те­ оремы, полученное Ферма, до сих пор так и не найдено.

Свет как электромагнитная волна Падение Отражение Преломление Рис. 6.2. Явление преломления света на границе воздух—вода.

в науке, и у него существовало очень много последователей, вплоть до великого Ньютона. О корпускулярной теории подробнее мы по­ говорим в следующей главе, а пока скажем, что в более полном виде закон отражения и преломления света на границе раздела сред был сформулирован в 1621 г голландцем В.Снеллиусом. Он изучал паде­ ние луча света на поверхность воды и сумел точно определить соот­ ношение углов падения, отражения и преломления излучения на границе воздух—вода.

Если рассмотреть падение узкого пучка света на воду, можно лег­ ко заметить, что небольшая часть света будет отражаться от ровной поверхности воды, подобно картинке, изображенной на рисунке 6.1.

Основная же часть света в виде того же узкого пучка, если поверх­ ность воды гладкая, пройдет внутрь воды, правда, угол распростра­ нения света в воде будет отличаться от первоначального угла паде­ ния света на воду (рис. 6.2).

Соотношение для этих углов, как установил Снеллиус, может быть записано в виде:

sin / sin = п, 0 2 (6.1) где п — относительный показатель преломления света для воды по отношению к воздуху Снеллиус, конечно, не знал тогда теории Максвелла и не мог предвидеть, что п может легко определяться формулой (5.19) и является показателем отношения скоростей рас­ пространения волнового процесса в этих двух материальных средах.

Но его закон и без этого оказался очень плодотворным. Уже тогда В.Снеллиус умер в 1626 г., не опубликовав своего открытия. Рене Декарт описал впервые этот закон без ссылки на Снеллиуса в своей «Диоптрике», хотя, как считают ис­ торики, Декарт был знаком с рукописью Снеллиуса.

78 Глава Призма Линза Рис. 6.3. Ход лучей в стеклянной призме и двояковыпуклой линзе.

люди умели изготавливать простейшие оптические приборы — лупы, подзорные трубы и т.п. Закон Снеллиуса позволил развить теорию оптических приборов и дал людям в руки математический аппарат для точного расчета хода лучей в таких приборах. Зная закон Снел­ лиуса, стало возможным представить, например, увеличительную стеклянную двояковыпуклую линзу в виде набора маленьких призм.

Поскольку свет при прохождении призмы преломляется дважды, на каждой из ее граней, объяснить ход лучей в призме и увеличи­ тельном стекле оказалось совсем не сложно. При выходе из более оптически плотной среды (стекла) в менее оптически плотную среду (воздух) относительный коэффициент преломления света становит­ ся, соответственно, меньше единицы, и луч еще сильнее отклоняет­ ся от нормали к поверхности. При определенных углах может даже произойти так называемое явление полного внутреннего отражения, когда преломленный луч не выйдет из плотной среды, а все излуче­ ние просто отразится обратно от границы раздела сред и уйдет об­ ратно внутрь более плотной среды. Если же критический угол пол­ ного внутреннего отражения не достигается, то лучи света будут сильно отклоняться от направления своего первоначального рас­ пространения. Для симметричной выпуклой линзы это приведет к тому, что первоначально параллельные лучи света сойдутся после линзы в одной точке, называемой фокусом линзы.

Поскольку ход лучей в таких простейших оптических системах можно изображать геометрически в виде чертежей и рисунков, это направление развития оптики получило название геометрическая оптика. Большой вклад в ее развитие внесли величайшие физики Га­ лилей, Гюйгенс и Ньютон. Последний, например, экспериментируя Итальянец Галилео Галилей (1564-1642) более всего известен своими астрономи­ ческими наблюдениями и попытками развить учение Коперника, приведшими его даже к смертельной схватке с Инквизицией (Галилея чуть было не сожгли на костре вслед за Коперником и Бруно). Но мало кто знает, что первоначально Галилей изучал медицину в Пизанском университете, хотя и оставил позднее медицинский факультет и перевелся на факультет математики и философии.

Свет как электромагнитная волна С призмой, подробно изучил и описал очень красочное явление: по­ сле прохождения призмы узкий белый луч распадался на пучок цвет­ ных лучей, от фиолетового до красного, как во время радуги. Нью­ тон правильно понял удлиненную форму спектра, установил со всей определенностью факт различной преломляемости разных цветов спектра в призме, дальнейшую неразлагаемость монохроматическо­ го (отдельного) цвета и т.д., что послужило фундаментом нового на­ правления в физике - оптической спектроскопии. Явление разло­ жения белого света на цветовой спектр носит название дисперсии света. Правда, по большей части Ньютон придерживался корпуску­ лярной теории света, полагая свет потоком маленьких световых ато­ мов, а законы преломления и отражения обосновывал разной ско­ ростью распространения частиц света в веществе. Но он знал и о другой теории света, волновой теории, которую развивали Ф. Гримальди, Х. Гюйгенс, Р. Гук, а позднее Т. Юнг, А. Френель и др.

Мы уже упоминали, что опыт повседневной жизни дал людям основание полагать, что свет распространяется в пространстве по прямой линии. Если в лучах света находится непрозрачный предмет, то сзади предмета на экране возникает его тень — место, куда прямо­ линейный свет не попадет Однако уже во времена Ньютона оказа­ лись замеченными и исключения из этого правила. Итальянец Ф.Гримальди заметил, что свет все-таки проникает в область геомет­ рической тени предмета, претерпевая, правда, некоторые измене­ ния. Впоследствии такое таинственное явление было названо ди­ фракцией света. Англичанин Роберт Гук (1635-1703) исследовал дру­ гое явление, названное впоследствии интерференцией света. Он изучал образование цветных колец на поверхности тонких пленок, в частности мыльных пузырей и тонких стеклянных пластин, кото­ рые меняли свое место и цвет в зависимости от разных углов падения и наблюдения излучения. Гук, занимавшийся до этого теорией упру­ гости, предположил, что свет «состоит» из быстрых колебаний сре­ ды, распространяющихся в разные стороны с очень большой ско­ ростью. В этом случае, если колебания представить в виде гармони­ ческой функции, при наложении разных колебаний друг на друга они будут гасить друг друга, если находятся в противофазе, и усили­ вать, если находятся в фазе. Позднее голландский астроном Х.Гюй­ генс развил его идеи, описал явление поляризации света при про­ хождении его через кристалл исландского шпата и создал математи­ ческую волновую теорию света, согласно которой свет распростра­ няется как поток волн в особой всепроникающей среде — эфире.

Скорость распространения этих волн экспериментально измерил в 1675 г датский астроном О. Ремер. Она получилась у него чуть боль­. ше 3 10 м/с. Однако авторитет Ньютона не позволил сразу развить­ ся волновой теории света как основной. Ньютон, как уже упомина­ Первым, видимо, это явление описал все же не Ньютон, а чешский физик Йохан­ нес Маркус Марци (1595-1667) в 1648 г.

80 Глава Рис. 6.4. Оптический диапазон спектра.

лось, склонялся к корпускулярной теории света и резко критиковал волновую теорию, хотя в его большом сочинении «Оптика» и содер­ жались описания опытов Гука и Гюйгенса, а также излагались раз­ личные гипотезы о природе света.

Лишь спустя столетие в работах физиков Т. Юнга и О. Френеля вновь произошло возрождение волновой теории. На ее основе они математически сумели объяснить явления отражения, интерферен­ ции и дифракции света способностью двух наложенных друг на дру­ га волн усиливаться или ослабляться в зависимости от фазы колеба­ ний. Каждому цвету в волновой теории была поставлена в соответст­ вие определенная длина волны. Сегодня, зная теорию Максвелла, мы уже не сомневаемся в справедливости описания света как волно­ вого электромагнитного процесса. Белый свет описывается в рамках волновой теории Максвелла бесконечным рядом Фурье, содержа­ щим самые разные частоты колебаний. Поскольку коэффициент преломления п является функцией частоты колебаний, разные гар­ моники преломляются в призме и других материальных средах по разному, так как, в том числе, имеют и разную скорость распростра­ нения в этих средах. Волновая теория органично соединила свет и тепло источников, представив последнее как излучение инфра­ красного диапазона длин волн. Цвет же света источника является, по современным представлениям, психофизическим процессом вос­ приятия и распознавания человеком электромагнитных волн разных частот. Белый свет представляет собой сумму всех цветов, а чер­ ный - просто отсутствие света.

Сегодня оптический диапазон спектра электромагнитных волн четко разделяется на ряд поддиапазонов, соответствующих разным цветам спектра. Видимым в полном смысле этого слова считается диапазон длин волн примерно от 380 до 780 нм (нанометров). Он определяется способностью наших глаз регистрировать это излуче­ Между Ньютоном и Гуком разгорелась очень острая полемика о природе света.

Масло в огонь подливало то, что Ньютон, описывая свои «открытия», практически не упоминал имен Гука и Гюйгенса и их достижения в оптике и механике. Поэтому Гук ещё и оспаривал у Ньютона приоритет в открытии ряда явлений, таких, например, как ин­ терференционные «кольца Ньютона», или закон тяготения. Ньютон, видимо, чувство­ вал свою частичную неправоту, поэтому основное сочинение «Оптика» он официально опубликовал, лишь дождавшись смерти Гука. Но на работы Гука так и не дал явных ссы­ лок в своей книге. Как выяснилось позже, не указал Ньютон и в своем основном труде по механике - «Началах» - то, что за 7 лет до выхода книги в свет Гук в письме к Нью­ тону уже высказал предположение, что сила притяжения небесных тел обратно пропор­ циональна квадрату расстояния между их центрами масс.

Свет как электромагнитная волна ние. Ниже этого диапазона лежит ультрафиолетовое излучение, вы­ ше — инфракрасное, как изображено на рисунке 6.4. Оптический ди­ апазон спектра можно более детально, "в цвете", изобразить следую­ шим образом.

Нижней границей оптического спектра считается излучение с длиной волны 1 нм. Верхняя граница простирается до излучения с длиной волны 1 мм. Внутри ультрафиолетового диапазона в меди­ цине, особенно в физиотерапии и курортологии, вьшеляют ряд от­ дельных поддиапазонов по способности этого излучения оказывать бактерицидное, эритемное и т.п. биологическое действие. Так, выде­ ляют диапазоны: УФ-А (315-400 нм), УФ-В (315-280 нм) и УФ-С (280-100 нм).

Одним из вопросов, который может возникнуть в связи с теори­ ей Максвелла применительно к описанию оптических явлений и по­ ниманию действующих физических факторов при проведении про­ цедур физиотерапии, является вопрос о том, какая же компонента электромагнитного поля, Е или В, оказывает основное физическое действие при взаимодействии света и вещества. В серии тонких экс­ периментов сначала физиком Н.Винером (1894-1964), а затем физи­ ками уже наших дней было показано, что основное действие оказы­ вает вектор Е. Именно по пути его пучностей, а не вектора В (Н), возникает, например, почернение фотопластинки, те. проявляется фотохимическое действие света. Вектор Е оказался ответственным и за фотоэлектрический эффект в веществе, и за фосфоресценцию, флуоресценцию и т.п. Это и не удивительно, так как все физические процессы подобного рода сводятся к действию поля на элементарные заряды (в первую очередь на свободные электроны и ионы) среды.

Такое воздействие на выделенный заряд q в среде количественно описывается суммой силы Лоренца по (4.4) и электростатической си­ лой Кулона по (2.2). Однако из формулы (5.18) следует, что модуль. вектора Е в 3 10 раз (!) больше модуля вектора В. Скорость же заря­ дов в среде намного меньше скорости света, поэтому силой Лоренца в данном случае можно просто пренебречь. Она будет в сотни и тыся­ чи раз меньше кулоновских сил, действующих на заряд в поле.

Подобно тому как электрический ток распространяется по про­ водам, оптическое излучение, будучи электромагнитной волной, может распространяться направленно по оптическим диэлектричес­ Разные люди, естественно, имеют разные собственные границы спектральной чув­ ствительности своих глаз. Максимум спектральной чувствительности приходится на зе­ леный диапазон спектра. В условиях разной освещенности (дневное и ночное зрение) границы спектральной чувствительности глаз сдвигаются, соответственно, немного в красную или синюю области спектра (эффект Пуркинье).

Флуоресиениия и фосфоресиениия - две разновидности люминесценции.

Не путайте скорость перемещения зарядов в среде, например электронов, и ско­ рость передачи электромагнитных волн в среде. Электроны, создающие электрический ток в проводниках, двигаются по проводникам существенно медленнее скорости света, на несколько порядков. А скорость передвижения ионов в веществе за счет их больших размеров и того меньше (см. табл. 3.1).

82 Глава Рис. 6.5. Распространение света в оптическом волокне.

ким волноводам. Их часто называют еще световодами, или оптичес­ кими волокнами. Устройство оптического световода достаточно при­ митивно. В нем используется явление полного внутреннего отраже­ ния света от границы раздела сред. Само волокно представляет со­ бой тонкий стеклянный, может быть, кварцевый или полимерный «волосок», состоящий из сердцевины и оболочки. Соответственно, с ним надо обращаться очень бережно. Световоды очень легко лома­ ются. Излучение, попадая в волокно с его торца, распространяется вдоль по световоду за счет отражений от границы «сердцевина-обо­ лочка», как показано на рисунке 6.5. Никаких особых премудростей здесь нет. Собранные в жгуты отдельные оптические волокна спо­ собны передавать даже полномасштабное цветное изображение, что сегодня повсеместно используется в эндоскопии.

Если Вы обратили внимание, все описанные до сих пор явления касались в основном лишь законов распространения света как электромагнитной волны. Но ничего не было сказано про энергию или мощность излучения. Раздел оптики, который занимается из­ мерениями энергии и мощности света, называется фотометрия.

В переводе с греческого это буквально означает «измерение света».

Основы научных фотометрических представлений о важнейших за­ кономерностях при распространении и взаимодействии света с раз­ личными материалами и средами начали формироваться в середине XVIII в. трудами таких ученых, как П. Бугер, Дж. Ламберт и А. Беер.

Сегодня, как ни странно, несмотря на развитие электродинамики и других разделов физики, основы фотометрических представлений практически не претерпели существенных изменений со времен Бу­ гера и Ламберта. Читая книги по фотометрии, можно встретить много устаревших и уже, по существу, не используемых сегодня по­ нятий, поэтому есть смысл остановиться лишь на самых основных величинах и законах фотометрии, которые могут быть полезны кли­ ницисту.

Француз Пьер Бугер (1698—1758) считается основоположником фотометрии, хотя часть законов до него была известна еще астроному Иоганну Кеплеру, жившему почти на 100 лет раньше. В частности, И.Кеплер вывел закон освещенности тела и доказал, что освещенность падает как квадрат расстояния от тела до источника излучения. Но имен­ но П. Бугер выпустил первый научный труд по фотометрии - знаменитый «Трактат о градации света», ввел основные термины и определения этого раздела физики, сфор­ мулировал основные энергетические законы фотометрии и т.д. Ламберт и Беер лишь до­ бавили к этой картине отдельные штрихи и фрагменты.

Свет как электромагнитная волна С точки зрения физической энергетической модели в классичес­ кой фотометрии свет рассматривается как поток лучистой энергии, распространяющейся вдоль своей геометрической траектории ­ прямых геометрических лучей, который подчиняется закону сохра­ нения энергии и направления траектории, если по пути своего рас­ пространения свет не встречает каких­либо препятствий (других ма­ териалов и сред, неоднородностей пространства распространения света и т.п.). Это означает, что энергия света Е (не путайте с напря­ женностью электрического поля Е), протекающая в единицу време­ ни через поперечное сечение трубки, остается постоянной. Если рассматривается стационарный (равномерный во времени) процесс, то в каждое мгновенное значение времени t можно определить не­ кую мгновенную мощность излучения которая в фотометрии но­ сит несколько устаревшее название светового потока и измеряется, как и любая мощность в физике, в ваттах (Вт):

W = E / t.

(6.2) Поскольку свет, в общем случае, как мы уже говорили, является «смесью» различных спектральных компонент, при рассмотрении какой­либо одной спектральной частоты света (или длины волны) часто в обиход вводят понятие спектральной плотности мощности, те. мощности, приходящейся на какую­либо одну вьделенную дли­ ну волны Л (или, более точно, на узкий спектральный диапазон длин волн ЛЯ, так как одной идеальной частоты колебаний в природе не существует). В этом случае к обозначению мощности добавляют соответствующий индекс ­ W.

Мощность W, падающая на какую­либо площадку S, создает освещенность этой площадки, соответствующую пространственной плотности мощности излучения в электродинамике, т.е. модулю вектора Пойтинга:

П = W / S (Вт/м ).

(6.3) В классической фотометрии, правда, существует и еще одна систе­ ма единиц измерения параметров оптического излучения, основан­ ная на энергетической оценке этого излучения глазом человека. По­ скольку глаз является спектрально селективным фотоприемником, при сложном спектральном составе излучения его реакция на одну и ту же мощность излучения может быть разной. Поэтому в обраще­ ние в фотометрии была введена так называемая система эффективных световых величин и единиц, оценивающая энергетические параметры излучения по их зрительному восприятию. В этой системе единиц за единицу светового потока W в соответствии с международным согла­ шением был принят люмен (лм). А единицей освещенности по фор­ муле (6.3) является люкс (лк). Эффективные световые величины пере­ считываются в обычные энергетические величины через спектраль­ 84 Глава ную кривую чувствительности глаза. Так, для узкополосного моно­ хроматического излучения с длиной волны 555 нм световой поток в 680 лм соответствует мощности излучения в 1 Вт Но мы далее будем пользоваться только обычными энергетическими величинами как наиболее часто употребляемыми в практике медицины.

Важной величиной с точки зрения физиотерапии является так называемая энергетическая экспозиция — произведение плотности мощности на время действия излучения:

H = П t = W t / S.

(6.4) Экспозиция H измеряется в джоулях на метр (сантиметр) квадрат­ ный (Дж/м ) и очень часто на сленге врачей, особенно лазерщиков, име­ нуется дозой излучения. Вообще говоря, под дозой в физике более кор­ ректно понимать энергию излучения, те. джоули, так как, в конечном счете, именно суммарная энергия и оказывает основное действие.

Но можно ли возражать против профессионального сленга? Главное, чтобы врачи сами понимали дрyг друга и то, что они пишут и говорят.

При попадании излучения W на материальную среду часть мощ­ ности излучения (W ) сразу будет отражена от поверхности раздела r сред согласно закону отражения, часть (W ) пройдет внутрь среды a и там поглотится (превратится в тепло, например), а часть (W ) пройдет среду насквозь и, если позволяет ее толщина, выйдет с про­ тивоположной стороны наружу Эту картину поясняет рисунок 6.6.

Согласно закону сохранения энергии можно записать, что:

W = W + W + W.

r a (6.5) Выражение (6.5) называют основным уравнением фотометрии. Оно показывает, как расходуется энергия при попадании излучения на мате­ риальную среду Если все части уравнения разделить на W, то получим:

1 = r + a +, (6.6) где r = W /W ;

a = W /W ;

и = W /W называются, соответствен­ r a но, спектральными коэффициентами отражения, поглощения и про­ Рис. 6.6. Фотометрическое взаимодействие света с материальной средой.

Свет как электромагнитная волна пускания излучения. В общем случае они являются функцией длины волны излучения (для разных длин волн могут быть различны), по­ ляризации излучения и т.п., но всегда меньше 1.

Согласно волновой теории света и теории электромагнетизма Максвелла коэффициент отражения r определяется комплексным коэффициентом преломления среды п* (см. формулу (5.19)) или, что то же самое, ее импедансом (5.20). При падении излучения из сре­ ды 1 в среду 2 перпендикулярно границе раздела сред поляризация излучения не имеет значения, и коэффициент отражения r может быть вычислен по упрощенной формуле Френеля:

(6.7) где Z и Z ­ импеданс сред 1 и 2 соответственно. Если излучение па­ 1 дает на среду из вакуума (воздуха), то с большой степенью точности можно выразить импеданс среды через относительный комплекс­ ный показатель преломления, вернее, через его отдельные части п и. Тогда (6.7) может быть записано в виде (6.8) где, напомним, п ­ действительная часть показателя преломления, — параметр проводимости среды (проводимости для переменного электрического тока, конечно, причем с данной «оптической» час­ тотой колебаний). Если рассматривать биологические ткани, то ти­ повые значения п для оптического диапазона длин волн лежат в пре­ делах n = 1,1—1,5. В основном п = 1,3—1,4, что определяется прелом­ лением света водой. В этом случае, если принять проводимость био­ тканей равной нулю ( = 0), можно подсчитать, что коэффициент отражения будет лежать в диапазоне 0,017­0,028, те. это порядка 1—2%. Сильно отражать излучение могут, согласно формуле Френе­ ля (6.8), только хорошо проводящие ток материалы и среды ( >> 0).

Именно поэтому хорошо отражают свет полированные металлы (до 90­95%). Поверхность стекла имеет коэффициент отражения по­ рядка 5­10%. Обратите внимание, что все зеркала в домах представ­ ляют собой стекло с напыленным сзади слоем металла, иначе не бу­ дет зеркала! В биологических тканях основными проводниками тока являются растворы электролитов ­ кровь, например. Но ее проводи­ мость существенно меньше, чем у металлов. Поэтому ожидать боль­ ших коэффициентов отражения электромагнитного излучения от биологических тканей не приходится.

Есть, правда, для оптического диапазона спектра одно очень спе­ цифическое явление, которое по своим результатам может конку­ рировать с сильным отражением. Это явление носит название рас­ сеяния света. Вообще, при рассмотрении любых вопросов распро­ странения электромагнитных волн в пространстве и веществе очень важным является вопрос соотношения длины волны излучения 86 Глава и некоторых характерных пространственных элементов вещества, внутренних неоднородностей, например. Понятно, что если длина волны большая, скажем, порядка 1 м, как для УВЧ­диапазона, то мелкие препятствия или неоднородности размерами в миллиметры и менее на пути своего распространения такое излучение просто «не заметит». Если, наоборот, длина волны излучения будет маленькой, как у света, а препятствие будет больших размеров (метры), то свет не сможет пройти через такое препятствие иначе, как по схеме, изо­ браженной на рисунке 6.6. В основном для непрозрачных сред по пути расположения препятствия будет наблюдаться область тени.

А если длина волны будет соизмерима с размерами препятствия, можно ожидать каких­либо особых эффектов. В теории волновых процессов к таким эффектам относится, например, дифракция волн ­ их загибание в область тени и образование сложной интерфе­ ренционной картины по краям изображения.

Другим примером особых эффектов является рассеяние волн.

Рассеяние света ­ это совокупный процесс, состоящий из много­ кратных актов переотражения излучения на множественных грани­ цах неоднородностей среды и множественной дифракции отдельных лучей на этих неоднородностях. В нашем примере оптического излу­ чения и биологических тканей множественными неоднородностями на пути распространения света являются, например, клетки биотка­ ни. Обладая сложной структурой, мембранами, ядрами, по своим размерам соизмеримыми с длиной волны света (микроны и доли микрона), эти неоднородности создают, по сути, случайное поле различных показателей преломления n*.

Свет, проходя такую структуру, будет разбиваться на сотни и ты­ сячи мелких лучей, распространяющихся случайным образом по случайным направлениям, как показано на рисунке 6.7.

Это приведет к тому, что на передней поверхности биоткани, на­ пример, помимо чисто отраженного излучения от границы раздела «биоткань­воздух», появится еще так называемое обратно­рассеян­ ное излучение W, а прошедшее ткань излучение уже не будет стро­ S го направлено по лучу а будет «размыто» по широкой площади тыль­ Рис. 6.7. Рассеяние света в среде.

Свет как электромагнитная волна ной поверхности биоткани. Размыто будет и обратно­рассеянное из­ лучение. Его величина может достигать до 30­40% от падающего по­ тока, поэтому часто, когда говорят об отражении света от тканей, имеют в виду не отраженное, а как раз обратно­рассеянное излуче­ ние. Отраженное­то излучение составляет всего 1­2% от падающего!

А обратно­рассеянное излучение в видимом, например красном, ди­ апазоне спектра легко увидеть даже глазом. Направьте сфокусиро­ ванный луч Не—Nе­лазера или небольшой лазерной указки на кожу руки ­ и увидите вокруг маленького пятнышка исходного луча боль­ шой, до 1—2 см в диаметре, ореол рассеяния. Это и есть вышедший из кожи обратно­рассеянный поток света. Рассеяние очень сильно в биологических тканях, особенно в крови в оптическом диапазоне.

На взгляд цвет здоровой кожи должен быть слегка розоватым, а на просвет кончики пальцев, например, всегда красными. Почему?

Красный свет сильно рассеивается эритроцитами крови, несущими гемоглобин ­ основной пигмент в видимом диапазоне длин волн.

Зеленый и синий свет гемоглобин сильно поглощает, а красный рас­ сеивает Вот мы и видим красный или розовый цвет. Не будь явления рассеяния, мы все были бы прозрачны для света, и можно было бы заглядывать к нам внутрь, не используя оптические волокна различ­ ных эндоскопов и т.п.

Рассеиваться, конечно, на неоднородностях среды может не только свет, но и волны любых других частотных диапазонов и лю­ бой другой природы, например звуковые. У них, правда, другие дли­ ны волн, и им для рассеяния нужны другие по размерам препятст­ вия. Но процедуры УЗИ­диагностики построены именно на явлении отражения и рассеяния ультразвука от препятствий — органов.

При УЗИ видны крупные органы, сосуды и тканевые слои. Оптичес­ кие же приборы, позволяющие заглядывать внутрь тканей за счет их зондирования светом (лазерные томографы), дают возможность ви­ деть отдельные клетки или группы клеток.

При учете рассеяния света уравнения (6.5) и (6.6) должны быть дополнены соответствующими слагаемыми. В правой части (6.5) по­ явится дополнительный член W, а в правой части (6.6) ­ дополни­ S тельный коэффициент обратного рассеяния S. Надеемся, что это по­ нятно без лишних записей лишних уравнений. Более точный расчет рассеянного излучения ­ задача довольно сложная. Здесь нет таких простых формул, как при отражении, так как процесс фактически носит характер статистически случайного. Поэтому такие задачи ­ удел физиков­профессионалов. В физике даже есть специальный раздел ­ теория рассеяния и переноса света в случайно­неоднород­ ных средах, посвященный всем этим вопросам. Но он достаточно сложен для элементарного изложения.

А что же происходит со светом, который не испытывает рассея­ ния, а просто проходит внутрь среды и движется там далее по на­ правлению своего первоначального распространения, как это было изображено на рисунке 6.6? Такой свет частично поглощается сре­ 88 Глава дой по пути своего распространения, так как в любой реальной сре­ де параметр проводимости всегда отличен от нуля, даже если и очень мал. Для однородной сплошной среды закон поглощения света в среде был установлен еще Бугером. Он сформулировал его в следующем виде: попавший в вещество поток света по мере своего распространения в среде вдоль координаты х ослабляется по закону экспоненты, те. в наших обозначениях закон Бугера можно выразить следующим образом:

. ­kx W (x) = (W ­ W ) e, r (6.9) где k называется показателем ослабления потока (он является функ­ цией длины волны излучения). Согласно (6.9) мощность потока W (x) в любой точке среды х может быть найдена, если известен по­ казатель ослабления k. При х = 1 / k поток излучения ослабляется в е раз (т.е. примерно в 2,7 раза). Это очень важный параметр. Физи­ ки условно, подчеркиваем ­ условно, эту величину х называют глуби­ ной проникновения излучения в среду. Врачи же очень часто ошибоч­ но этот термин воспринимают буквально. На этой глубине, если пренебречь отражением, первоначальный поток, скажем, в 10 мВт, станет равным 3,7 мВт. Еще через такое же расстояние этот поток ослабнет до 1,4 мВт и т.д. Но это все равно не будет нулевой поток!

Так что излучение проникает существенно глубже «глубины проник­ новения». Весь вопрос в том, какова его доля. Заметим также, что рассеяние в среде, особенно для света, может существенно увеличи­ вать глубину проникновения света в ткани.

Позже, на основе теории Максвелла, было установлено, что па­ раметр k прямо связан с параметром проводимости среды соотно­ шением:

(6.10) Таким образом, чем выше проводимость среды, тем выше и по­ глощение света и других электромагнитных волн, и наоборот. Иде­ альные диэлектрики не поглощают свет Общий коэффициент по­ глощения излучения в среде (доля поглощенного излучения), если среда имеет толщину h, можно с учетом выражений (6.5), (6.6) и (6.9) вычислить по формуле:

­kx a = (l ­ r )(l ­ e ).

(6.11) Попробуйте вывести эту формулу самостоятельно. Из нее и из (6.10) хорошо видно, что коэффициент поглощения является слож­ ной функцией длины волны излучения. Для гемоглобина, как мы уже говорили, поглощение сильно в синем и зеленом диапазонах ­ спектра. Там параметр k может достигать значений 20­30 см и бо­ лее, те. на глубину в 1 см уже точно практически никакого излуче­ Свет как электромагнитная волна ния не проникает в кровь в этом диапазоне спектра. Поэтому нали­ чие гемоглобина в растворе можно легко определять, пропуская че­ рез раствор зеленый луч света. На этом основаны все методы лабора­ торной спектрофотометрии. В других диапазонах спектра могут по­ глощать свет другие вещества ­ билирубин, холестерин, гематин.

Так можно выделять в растворах наличие тех или иных веществ.

На этом же основаны и новейшие методы неинвазивной спектрофо­ тометрии, когда живая ткань просвечивается светом разных длин волн и анализируется спектральный состав, например, обратно­рас­ сеянного излучения. По тому, какие спектральные компоненты и как поглотились в тканях, можно определять, например, наличие сахара в крови, соотношение фракций гемоглобина и оксигемогло­ бина, т.е. сатурацию (оксигенацию) периферической крови, и т.д.

Количественный анализ наличия веществ в растворе или тканях проводят на основе закона Бугера­Беера. Этот закон, выведенный теоретически Бугером и проверенный экспериментально Беером, говорит о том, что параметр k в законе Бугера может быть для мно­ гокомпонентной среды представлен как:

k = с + с +... + с. (6.12) 1 1 2 2 i i где — спектральные коэффициенты экстинкции каждого i­го ком­ i понента раствора, а с ­ их молярные концентрации. Проводя изме­ i рения на разных длинах волн, можно определить в растворе все с.

i Как видите, лабораторные методы анализа тоже иногда базируются на законах физики, а не только химии или биохимии.

В качестве заключения к данному разделу хотелось бы акценти­ ровать внимание читателя на том факте, что все изложенные здесь законы, явления и действующие физические факторы присущи лю­ бым электромагнитным явлениям, а не только свету. Свет ­ обычная электромагнитная волна. Если инфракрасный свет (излучение), проходя через среду, сильно поглощается в ней, то среда нагревает­ ся, так как поглощенная энергия в среде переходит главным образом в тепло. Но это не значит, что биоткань не нагревается похожим об­ разом излучением зеленого диапазона спектра, красного или даже СВЧ. Любое поглощенное излучение в той или иной степени пере­ ходит в тепло. СВЧ­печи и УВЧ­терапия ­ прямое тому подтвержде­ ние. Если мы говорим об интерференции (наложении волн с учетом их фазы) для света, то это означает, что интерферировать могут и лю­ бые обычные переменные электрические токи в тканях, а также пе­ ременные магнитные поля. Это же касается и рассеяния. Просто свет — очень наглядный (в буквальном смысле этого слова) пример, с помощью которого легко представить себе все другие электромаг­ нитные волновые явления и почувствовать их внутреннюю логику и взаимосвязь.

Глава 7. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА СВЕТА И КВАНТО Используя издавна свет Солнца, костра, свечи, человек по пра­ ву называл такие источники света тепловыми. Они излучают элект­ ромагнитные волны в широком диапазоне спектра, но очень боль­ шая доля их излучения приходится на инфракрасный диапазон.

Инфракрасные волны с длиной волны больше 1 мкм интенсивно поглощаются водой, поэтому, попав в ткань, инфракрасное излуче­ ние хорошо поглощается и нагревает ткани, что мы и чувствуем за счет наших тепловых рецепторов. Однако задача расчета точного спектрального закона распределения излучения от таких тепловых источников света очень долгое время не поддавалась физикам и ма­ тематикам.

Достаточно быстро был найден общий закон теплового излуче­ ния ­ закон Стефана—Больцмана. Он гласит, что общая мощность электромагнитного излучения, включая оптическое, от нагретого до температуры Т тела может быть вычислена по формуле:

.. 4.

W = а T S, (7.1). ­8 2. где = 5,6710 Вт/(м К ) — постоянная Стефана­Больцмана;

Т — температура тела (°К);

S­площадь поверхности тела;

а ­ интеграль­ ная степень черноты тела. Например, наше тело, нагретое до темпе­ 3 ратуры примерно 300°К, при a ~ 1 и площади поверхности в 1 м из­ лучает каждую секунду электромагнитную энергию мощностью око­ ло 400 Вт Вскоре был открыт и закон изменения спектра (цвета) излучения в зависимости от температуры тела ­ так называемый закон смеще­ ния Вина. Согласно закону В.Вина (1864­1928) длина волны, соот­ ветствующая максимуму энергии в спектре излучения нагретого те­ Жозсф Стефан (1835­1893) сделал такой вывод на основе анализа эксперимен­ тальных работ французских физиков. Через 5 лет его 24­летний ученик Людвиг Больц­ ман (1844­1906) вывел этот закон теоретически, за что признан сегодня во всем мире как основоположник статистической физики и термодинамики.

Черное тело будет излучать больше энергии, нежели белое, так как чем больше ко­ эффициент поглощения излучения телом, тем больше и его «излучательная» способ­ ность. При термодинамическом равновесии степень черноты тела равна его коэффици­ енту поглощения ­ закон Кирхгофа.

Градусы Цельсия переводятся в градусы Кельвина добавлением величины 273,15 К.

Квантовая природа света и квантовые оптические явления ла, в координатах «энергия—длина волны» определяется соотноше­ нием:

= b/T, макс (7.2).

где b = 2898 мкм °К ­ постоянная Вина. Так, для температуры тела человека в 300 °К максимум спектра приходится на 9,66 мкм — сере­ дину инфракрасного диапазона. Тепловые лампы накаливания, в которых источником света служит разогретая током вольфрамовая нить, излучают максимум энергии в диапазоне около 1 мкм, которая сильно поглощается водой, поэтому мы чувствуем от них тепло.

Но мы ощущаем и видимый спектр, те. значительная часть излуче­ ния ламп приходится и на видимый диапазон длин волн. Их види­ мый свет кажется нам слегка желтоватым, так как у них в спектре ма­ ло синего и зеленого излучения, а больше красного и инфракрасно­ го. Излучение же Солнца имеет максимум в области 0,5 мкм ­ это зеленый диапазон спектра. Солнце ­ очень сильно нагретый источ­ ник. Его поверхностная температура как «абсолютно черного» тела оценивается примерно в 5700°К, а поверхностная плотность мощ­. 7 ности, согласно (7.1), ­ примерно в 6 10 Вт/м. В спектре излучения Солнца содержится много жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения, поэтому излучение Солнца достаточно опасно для живых систем. Нас на Земле от этих частот спасает ат­ мосфера планеты, которая практически не пропускает ультрафиоле­ товые волны. Из космоса и в южных широтах в полдень Солнце ка­ жется ярко­белым. Но в наших широтах оно, как и лампочки нака­ ливания, выглядит желтоватым. Это происходит потому, что атмос­ фера Земли сильно рассеивает синий свет. Именно поэтому небо нам кажется синим в ясную погоду. Рассеиваясь в атмосфере, синее излучение мало доходит до поверхности Земли, и мы видим спектр Солнца смещенным в желто­красную область, как и у электрических лампочек. Особенно красным Солнце можно видеть иногда на зака­ те на фоне высокой влажности в атмосфере. Пары воды в воздухе еще сильнее рассеивают синий и зеленый свет, поэтому одной из на­ родных примет предстоящей дождливой погоды является ярко­ красный закат. Но все это лишь качественная картина процесса.

Количественно же и точно описать спектральное распределение мощности излучения в спектре нагретого тела удалось только Максу Все сказанное здесь строго относится только к системе координат «энергия­дли­ на волны». В системе координат «энергия­частота колебаний» максимум энергии излу­ чения будет смешен в инфракрасную область. В нашем примере тогда максимум излуче­ ния Солнца будет лежать в районе 1 мкм ­ это один из известных парадоксов современ­ ной теории теплового излучения.

Вероятность наступления дождливой погоды в зависимости от цвета Солнца при закате, естественно, зависит и от того, в каком направлении вечером дует ветер ­ на за­ пад или на восток, те. от того, куда следуют влажные слои атмосферы ­ на наблюдате­ ля или от него.

92 Глава Планку (1858­1947) в 1900 г. Для этого ему пришлось оставить все каноны классической физики и привнести в нее нечто совершенно новое, революционное ­ предположить, что энергия отдельного из­ лучателя (молекулы, атома и т.п.) внутри нагретого тела испускается не непрерывно, а в виде отдельных маленьких порций энергии, рав­ ных:

E = hv, (7.3) u. ­34.

где v ­ частота излучения (Гц);

h = 6,625 10 Дж с (джоуль­секун­ да) ­ фундаментальная постоянная Планка. Это позволило получить общую формулу для спектральной поверхностной плотности мощ­ ности излучения нагретого «абсолютно черного» тела (а = 1) в виде:

(7.4) где П ­ поверхностная (с единицы поверхности) спектральная 2.. ­ 16. плотность мощности излучения (Вт/м мкм);

b = 3,74 10 Вт м ­. ­2.

первая радиационная постоянная;

b = 1,439 10 м °К ­ вторая ради­ ационная постоянная;

T­температура тела.

Что же привело Планка к такому выводу? Надо сказать, что в то время в физике назрел серьезный кризис, приведший в том числе и к появлению теории относительности Эйнштейна. Очень многие вопросы физики оказались буквально «загнанными в тупик».

Из классических представлений не мог получить ответ не только во­ прос о спектре излучения нагретого тела, но и ряд других важных во­ просов. В частности, после триумфального развития теории Макс­ велла и открытия структуры атома Резерфордом оказался абсолютно непонятным следующий факт. Если электроны постоянно вращаются вокруг ядра атома, то они все время двигаются с центростремитель­ ным ускорением. Не вращаться электроны не могут, так как тогда, повинуясь закону Кулона, они сразу упали бы на ядро, которое заря­ жено положительно. Однако, согласно теории Максвелла, любые за­ ряды, двигающиеся с ускорением, должны излучать электромагнит­ ную энергию, те. электроны в атоме, согласно Максвеллу, должны постоянно излучать и терять энергию. Откуда же они ее берут для постоянного излучения?

Изучая эти вопросы, Планк предположил, что излучение энер­ гии происходит все время, но только дискретно, в моменты перехо­ да электрона с одной орбиты на другую. Каждая орбита характеризу­ ется своей энергией, и разность энергий орбит и составляет энергию Любое вращательное движение тела сопровождается его центростремительным (осестремительным) ускорением. Это следует из того факта, что при вращении тела в каждое мгновение времени на тело должна действовать какая­либо сила, направлен­ ная к центру вращения (центростремительная сила), заставляющая тело поворачивать.

Модуль этой силы, деленный на массу тела, и даст значение центростремительного ускорения.

Квантовая природа света и квантовые оптические явления излучения электрона по формуле (7.3). Поскольку тепловое излуче­ ние нагретых тел, особенно несильно нагретых, вызывается не столько за счет электронных переходов, сколько за счет колебатель­ ных и вращательных энергий атомов и молекул. Планку пришлось предположить, что и эти энергетические состояния (уровни) моле­ кул и атомов квантованы. Средняя энергия теплового движения час­ тицы определяется формулой (1.7). Но переход из одного конкрет­ ного энергетического состояния в другое происходит не непрерыв­ но, а скачками, порциями. Общее же излучение нагретого тела опре­ деляется статистикой состояния всех его отдельных элементарных внутренних излучателей. Так ему удалось угадать вид формулы (7.4).

На рисунке 7.1 в качестве примера представлены рассчитанные по формуле Планка спектральные распределения плотности мощ­ ности излучения «абсолютно черных» тел при разных температурах.

Хорошо видно, как смещается влево максимум спектра излучения при увеличении температуры тела, подчиняясь закону смещения Вина.

Для целей физиотерапии можно запомнить, что в шкале длин волн температуры тела в 500-600 °К приводят в основном к инфра­ красному излучению тел. Нагретое свыше 1000°К тело будет уже сильно излучать и в видимом диапазоне спектра, а свыше 3000 °К в ультрафиолетовом. Однако в медицине для получения ультрафио­ летового излучения часто пользуются не только тепловыми источни­ ками света, и не столько ими, сколько специальными газоразрядны­ ми лампами, например ртутными. Излучение в них создается за счет электрического разряда в парах металлов, поэтому спектральное Рис. 7.1. Спектр излучения нагретых тел при разной температуре.

94 Глава распределение плотности мощности излучения в таких лампах не подчиняется закону Планка.

Идея Планка о квантовании энергии излучения в более развитой форме была применена Эйнштейном для описания фотоэффекта ­ явления выбивания электронов в веществе под действием квантов света. Эйнштейн предположил, что излучение не только испускает­ ся квантами, но и вообще существует и распространяется в прос­ транстве в виде квантов. Далее Эйнштейн обосновал возможность дискретной передачи энергии атомам и электронам в атомах вещес­ тва путем их «квантовой накачки» ­ те. путем добавления к системе частиц порций энергии, достаточной для того, чтобы, в отличие от ситуации излучения, электроны и атомы переходили не с более вы­ соких энергетических орбит на более низкие, а наоборот. Это откры­ ло путь к изобретению лазеров.

Изобретение лазеров относится к концу 1950­х ­ началу 1960­х гг. и связано с именами трех русских (В. А. Фабриканта, А. М. Прохорова, Н. Г. Басова) и двух американских (Ч. Таунса и Т. Меймана) ученых. Внутри лазера протекают чисто квантовые про­ цессы вынужденного (за счет внешней энергии «накачки») возбуж­ дения атомов среды и последующего синхронного их перехода в бо­ лее низкоуровневое энергетическое состояние с переизлучением за­ пасенной в них энергии в оптическом диапазоне длин волн. Такое излучение, можно сказать, синхронизировано по времени и энер­ гии, поэтому излучение лазера сильно отличается по своим свойст­ вам от излучения просто нагретых (тепловых) источников света. Из­ лучение лазера обладает, во­первых, очень большой степенью моно­ хроматичности. Для практических медицинских приложений можно условно считать, что излучение лазера происходит просто на какой­ то одной длине волны. Для Не­Nе­лазера, например, одной из та­ ких длин волн является красный свет с = 632 нм. Во­вторых, излу­ чение лазера обладает большой степенью когерентности ­ все волны от каждого элементарного излучателя в среде лазера синхронизиро­ ваны по частоте и фазе (см. формулу (1.12)). И, в­третьих, оно, как правило, в очень большой степени поляризовано.

Поскольку энергия квантов оптического излучения соизмерима с энергиями отдельных атомов вещества и энергиями электронов Именно за фотоэффект и обоснование возможности создания вынужденного квантового излучения в среде, те. фактически за фундаментальные основы квантовой электроники и лазерной техники, а не за теорию относительности Эйнштейну была присуждена докторская степень и Нобелевская премия. Докторская диссертация Эйн­ штейна, подготовленная им в 1905 г. по специальной теории относительности, была признана на заседании Диссертационного совета Цюрихского университета посредст­ венной (!) и, соответственно, отклонена.

Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс в 1964 г были удостоены за это Нобелевской премии. Н. Г. Басов, возглавивший затем Физический институт РАН, имея второе сред­ нее медицинское образование, очень быстро увидел перспективу применения лазеров в медицине и инициировал серию первых фундаментальных научно­исследовательских работ по этому направлению совместно с Министерством здравоохранения СССР.

Квантовая природа света и квантовые оптические явления в атомах, взаимодействие оптического излучения с материальными средами, помимо уже рассмотренных выше процессов взаимодейст­ вия с веществом оптического излучения как электромагнитной вол­ ны, имеет и другие специфические особенности. Если рассматри­ вать один отдельный квант света, он может поглощаться в среде, пе­ реводя атом или молекулу вещества на другой энергетический уро­ вень, а электроны в атоме ­ на другие энергетические орбиты.

Возвращаясь спустя некоторое время обратно, на прежний энерге­ тический уровень, атомы вещества могут передавать высвободившу­ юся порцию энергии другим соседним атомам за счет столкновений.

Так происходит переход энергии излучения в тепло (тепловая релак­ сация атомов и молекул). Высвободившаяся энергия может пойти и на ускорение каких­либо биохимических реакций в сложных мно­ гокомпонентных веществах, таких как биологические жидкости (кровь, лимфа, цитоплазма клеток и т.п.) и ткани. Обратный переход электронов на более низкие энергетические орбиты может сопро­ вождаться вторичным переизлучением кванта света (явление люми­ несценции), образованием новых химических связей в молекулах и, опять же, переходом излучения в тепло. Кроме того, квант света, по­ пав в какую­либо молекулу, может и разрушить ее, если энергия кванта света будет соизмерима с энергией связи атомов в молекуле.

В большей степени это относится к квантам ультрафиолетового, рентгеновского и ­излучения, так как эти кванты обладают очень большой энергией на уровне микромира. Поэтому и говорят о фото­ деструкции и фотодиссоциации молекул под действием света. По­ этому и губительно для многих сложных органических жидкостей, микроорганизмов и клеток действие такого излучения. Но ошибоч­ но думать, что фотодеструкция может происходить только в УФ­лу­ чах. Энергия кванта света красного диапазона спектра (Не­Nе­ла­ зер) соизмерима с энергией двойной связи атомов углерода и азота (С=N) в белках и других макромолекулах. Энергия кванта света зеле­ ного диапазона спектра соизмерима с одинарной связью угле­ род­углерод (С-С) и т.д. Попадая в молекулы, содержащие такие связи, свет может приводить к их быстрой фотодеструкции, т.е. здесь может наблюдаться целый спектр квантовых явлений, которые изу­ чают уже такие науки, как фотофизика, фотохимия, фотобиология и т.п. Пример фотосинтеза ­ один из ярких примеров квантовых оп­ тических явлений в биологии.

Интересно поэтому оценить, сколько квантов света может содер­ жаться в излучении лазера типовой «медицинской» мощности. Возь­. мем, опять же, Не­Nе­лазер. Квант света с = 632 нм ( = 4,75 10 Гц). ­ обладает энергией порядка 3,14 10 Дж. Если лазер имеет мощность 1 мВт и излучает ее в течение 1 с, то его энергия излучения составит ­ 10 Дж. Значит, в течение этой секунды лазер должно покинуть при­. 1 мерно 3 10 квантов света. Даже если вероятность попадания одного кванта света в одну отдельную молекулу биоткани и не очень высо­ ­ ка, скажем, менее 0,001% (10 ), то все равно таких попаданий может 96 Глава произойти до 10 за каждую секунду работы лазера! Именно столько различных фотопроцессов на уровне отдельных молекул и атомов может происходить внутри биоткани при проведении терапевтичес­ кой лазерной процедуры.

Энергия квантов излучения других спектральных диапазонов электромагнитных волн существенно меньше энергии оптических квантов, а длины их волн существенно больше, поэтому они не мо­ гут взаимодействовать с веществом эффективно на квантовом уров­ не ­ уровне отдельных молекул или атомов. Например, для сравне­. ния можно взять диапазон СВЧ­излучения, скажем, с = 4,75 10 Гц ( = 6,32 см). Тогда энергия СВЧ­кванта будет на 5 порядков меньше. ­ энергии кванта He­Ne­лазера, т.е. примерно равна 3,14 10 Дж.

Чтобы сравнить их потенциально возможное квантовое действие, рассмотрим, например, эквивалентную кинетическую температуру взаимодействия такого кванта с веществом. Для этого приравняем энергию одного кванта к средней тепловой энергии движения части­ цы по (1.7):

h = 1/2 kТ и выразим отсюда «температуру» кванта:

T = 2h / k где k, напомним, ­ постоянная Больцмана. Выполнив численные расчеты, получим, что для СВЧ­кванта эффективная температура взаимодействия будет равна 0,45 K. Это очень маленькая величина, существенно ниже комнатной температуры, что говорит о том, что обычные электромагнитные тепловые процессы в среде будут пол­ ностью доминировать над квантовыми эффектами в СВЧ­диапазоне длин волн. Да и длина волны СВЧ­кванта, т.е. пространственная об­ ласть, где локализована его энергия, намного больше характерных размеров молекул и клеток тканей, т.е. взаимодействие в СВЧ­диа­ пазоне с биологическими тканями практически полностью подчи­ няется законам теории электромагнетизма для сплошной однород­ ной среды. Для кванта же света He­Ne­лазера эффективная темпе­ ратура взаимодействия окажется на 5 порядков выше, чем у кванта СВЧ, т.е. около 45000 К! А это уже, как все понимают, очень высо­ кая температура, способная передавать молекулам, атомам и элект­ ронам вещества на квантовом уровне очень большую энергию. Эта энергия компактно локализована в пределах одного микрона, что соизмеримо с размерами клеток тканей и макромолекул, следова­ тельно, здесь могут проявляться яркие квантовые эффекты, включая эффекты фотодиссоциации и фотосинтеза различных органических молекул. Не случайно наш организм в ходе эволюции выработал за­ щитную реакцию на появление излишней внешней освещенности тела светом в виде появления загара.

Квантовая природа света и квантовые оптические явления Говоря о квантовых источниках излучения, используемых в со­ временной физиотерапии, надо, видимо, несколько слов в заключе­ ние сказать и об обычных светодиодах. Светодиод - это полупровод­ никовый квантовый излучатель, работа которого основана на про­ цессах вынужденной электролюминесценции. Процессы электролю­ минесценции в полупроводниковых материалах были открыты русским экспериментатором О. Лосевым в 1923 г. и получили назва­ ние свечение Лосева. Суть свечения заключается в высвечивании квантов света электронами, теряющими свою энергию при переходе на более низкоуровневую орбиту, когда предварительно они были возбуждены энергией электрического тока, протекающего через по­ лупроводник. Свет светодиодов занимает по своим спектральным характеристикам, можно сказать, промежуточное положение между тепловыми источниками света и лазерами. Если у тепловых источ­ ников очень широкий спектр излучения, как показано на рисунке 7.1, а у лазеров, наоборот, очень узкий, почти монохроматический, то у светодиодов спектр излучения существенно шире лазерного, но много уже теплового. Типовая полуширина спектра излучения светодиодов - 10-20 нм, т.е. красный светодиод с центральной дли­ ной волны 630 нм на самом деле имеет спектр где-то от 620 до 640—650 нм. Однако энергия кванта света при этом меняется в очень и очень незначительных пределах, так что с точки зрения квантовой физики, равно как и с точки зрения электродинамики, свет светоди­ ода, лазера и теплового источника излучения одной и той же длины волны ничем не отличается один от другого, если, пожалуй, только не принимать во внимание степень поляризации излучения, влия­ ние которой на живые системы пока еще изучено очень слабо, хотя и стали уже появляться первые приборы для физиотерапии, исполь­ зующие поляризованный свет.

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1. Скалярные и векторные величины В физике и математике различают скалярные и векторные вели­ чины. Величины называются скалярными, если после выбора соот­ ветствующих единиц измерения они характеризуются одним един­ ственным числом. Примерами скалярных величин являются плот­ ность, масса, объем, температура, заряд. Эти величины могут быть распределены в пространстве так, что каждой пространственной ко­ ординате будет соответствовать своя конкретная скалярная величи­ на. Тогда говорят о поле скалярных величин. Примером скалярного пространственного поля может являться поле распределения темпе­ ратуры воздуха в комнате.

Векторные величины характеризуются двумя разными смысло­ выми параметрами: геометрическим (пространственным) направле­ нием и модулем — алгебраическим числом, определяющим «размер» (длину) вектора. Понятие вектора, поскольку он характеризуется на­ правлением в пространстве, неразрывно связано с какой-либо вы­ бранной системой координат. В подавляющем большинстве случаев рассматривают прямоугольную декартову систему координат В ней вектор на чертеже изображается стрелкой, имеющей длину и на­ правление. Если для примера взять задачу в пространстве двух изме­ рений (на плоскости), то произвольный вектор OA может быть изо­ бражен, как показано на рисунке 1.

Конец вектора OA со стрелочкой имеет скалярные координаты в выбранной системе координат (х*, у*). Какова длина этого векто­ ра? Очевидно, что по теореме Пифагора модуль (или длина, что то же самое) вектора может быть вычислен как:

(1.1) Для обозначения векторов в текстах книг и статей обычно ис­ пользуют символы, выделенные жирным шрифтом. Те же символы, но напечатанные обычным шрифтом, как правило, служат для обо­ значения модулей этих векторов.

Векторы, кроме графического изображения в системе координат, могут быть также заданы аналитически (в виде формулы, выраже­ ния), если ввести понятие единичного вектора. Единичный вектор направлен точно по какой-либо оси системы координат и имеет мо­ дуль, равный 1. Он фактически задает единицу длины, масштаб по 1. Скалярные и векторные величины Рис. 1. Изображение вектора в прямоугольной системе координат на плос­ кости.

этому направлению. Пусть, скажем, в нашем примере мы определим два единичных вектора — x и у, направленных по соответствующим 0 осям координат x и y:

|x | =1;

|у | = 1.

0 Тогда аналитическое математическое выражение для нашего век­ тора OA будет в физике и математике выглядеть следующим образом:

..

ОА = x x + у у.

0 Здесь операция сложения понимается условно. Никакого сложе­ ния реально делать не нужно. Просто это такая удобная форма запи­ си разложения вектора по его пространственным координатам.

Естественно, если рассматривается трехмерное пространство с доба­ вочной координатой z, то во все приведенные выше формулы следу­ ет добавить соответствующее слагаемое с z. В общем виде любой произвольный вектор а может быть записан в трехмерном декарто­ вом пространстве как:

а = a x + a y + a z, 1 0 2 0 3 (1.2) а его модуль будет определяться выражением:

2 2 |а| = a =\/a +a +a.

(1.3) 1 2 Числа a часто называют составляющими вектора а или его про­ i екциями на оси координат Они, естественно, уже являются обыч­ ными скалярными величинами, и все операции с ними производят­ ся по обычным законам алгебры.

С векторами, как и с другими математическими величинами, можно также производить разные математические операции: скла­ 100 Приложения дывать, вычитать, умножать на константу, умножать друг на друга и т.п. Правда, поскольку векторы имеют, кроме длины, еще и на­ правление, часть этих операций весьма специфична.

Наиболее просто вектор умножается на любую скалярную вели­ чину. Умножение вектора а на скалярную константу k выполняется по правилу:

..

а k = k а = k(a x + a y + a z ) = ka x + ka y + ka z. (1.4) 1 0 2 0 3 0 1 0 2 0 3 С точки зрения векторной алгебры умножение вектора на конс­ танту k фактически масштабирует каждую проекцию вектора в k раз.

Модуль вектора при этом также увеличится в k раз (проверьте это са­ мостоятельно подстановкой результата (1.4) в (1.3)).

Сложение двух векторов а и b производится более сложным обра­ зом:

а + b = (a + b ) x + (a + b ) y + (a + b ) z.

1 1 0 2 2 0 3 3 В результате сложения получается новый вектор, направленный по «правилу параллелограмма», как показано на рисунке 1.1 для ре­ зультирующей силы. Его проекции будут представлять суммы соот­ ветствующих проекций складываемых векторов. Модуль суммарно­ го вектора определяется обычным образом по формуле (1.3). Сло­ жить вектор с обычным скалярным числом нельзя, так как это раз­ ные понятия. Складывать векторы можно только друг с другом.

Взаимный порядок слагаемых, естественно, не имеет никакого зна­ чения (от перемены мест слагаемых сумма векторов не меняется).

Вычитание векторов, как и в обычной алгебре, — то же самое сло­ жение, но со знаком минус. В нашем примере при вычитании векто­ ров а - b все знаки «+» в скобках для проекций разностного вектора были бы заменены на знаки «-».

Умножение вектора на вектор наиболее сложно и необычно.

При умножении разделяют скалярное и векторное перемножение векторов. При скалярном перемножении векторов а и b в результате получается простое скалярное число с. Скалярное произведение обозначается обычной точкой, но иногда запись выполняют и без нее:

а • b = аb = с = a b + a b + a b.

1 1 2 2 3 Здесь уже, поскольку в записи в правой части нет единичных век­ торов, подразумевается обычное сложение скалярных произведений проекций векторов, т.е. результат - одно обычное число. Векторное же произведение в результате дает вектор. Его направление будет перпендикулярно плоскости, в которой лежат перемножаемые век­ торы, как показано на рисунке 2.

1. Скалярные и векторные величины Рис. 2. Векторное перемножение векторов.

Составляющие вектора с определяются по формулам (с учетом знака):

c = a b - a b ;

c = a b - a b ;

c = a b - a b.

1 2 3 3 2 2 3 1 1 3 3 1 2 2 Получаемый знак (+ или -) у каждой составляющей нового век­ тора будет определять его направление в выбранной системе коор­ динат. Общая запись векторного произведения в математике выгля­ дит следующим образом:

с = [а • b] или с = [аb].

Здесь важен порядок записи сомножителей, так как его измене­ ние ведет к изменению направления вектора с.

Теперь должны быть понятны все операции с векторами, особен­ но в разделах электричества и магнетизма, где часто перемножаются векторы напряженностей поля Е и Н.

Приложение 2. Международная система единиц измерения физических величин (СИ) До 1963 г. в нашей стране и во всем мире были приняты три раз­ ные метрические системы единиц: абсолютная физическая система (СГС), абсолютная практическая система (МКС) и техническая сис­ тема (МКГСС). Это было очень неудобно, и даже опытные физики часто путались в разных единицах разных размерных физических ве­ личин. С 1963 г. во всем мире согласно рекомендациям XI Генераль­ ной конференции по мерам и весам (1960 г) в качестве предпочти­ тельной введена Международная система единиц СИ (SI), которая образует единую систему единиц для всех стран и всех областей зна­ ний. Эта система единиц теперь и должна использоваться во всех на­ учных статьях и книгах в качестве основной, если не оговорено иное.

Система СИ содержит в себе основные единицы СИ, дополнитель­ ные единицы СИ и производные единицы, имеющие собственные наименования. Эти величины представлены в таблицах 1­3.

Таблица Основные единицы СИ Величина Наименование Обозначение Обозначение (размерность) русское межцународное Длина метр м m Масса килограмм кг kg Время секунда с(сек) s Сила электриче­ ампер А А ского тока Температура Кельвин К(К) К(К) Сила света кандела кд cd Количество моль моль mol вещества 2. Международная система единиц измерения физических величии (СИ) Таблица Дополнительные единицы СИ Величина Наименование Обозначение Обозначение (размерность) русское международное Плоский угол радиан рад rad Телесный угол стерадиан ср (срад) sr Таблица Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования Величина Наименование Обозначение Выражение через (размерность) русское другие единицы СИ - Частота герц Гц с *. Сила ньютон Н мк г/с Давление Паскаль Па Н/м.

Энергия, работа, джоуль Дж Н м количество теплоты Мощность, поток энергии ватт Вт Дж/с.

Электрический заряд кулон Кл А с Электрический потен­ вольт В Вт/А циал, напряжение, э.д.с.

Электрическая емкость фарада Ф Кл/В Электрическое ом Ом В/А сопротивление Электрическая сименс См А/В проводимость.

Поток магнитной вебер Вб В с индукции Магнитная индукция тесла Т (Тл) Вб/м Индуктивность генри Г(Гн) Вб/А.

Световой поток люмен лм кд ср. Освещенность люкс лк кд ср/м * Напомним, что запись любого числа в отрицательной степени означает дробь это­ -1 - го числа с положительной степенью числа в знаменателе дроби, например: с = 1/с ;

м = 1/м и т.д.

104 Приложения Часто указанные в таблицах системы СИ величины являются очень маленькими или, наоборот, очень большими для выражения тех физических величин, с которыми приходится иметь дело на практике. В физиотерапии, например, токи в 1 А являются очень большими и опасными для жизни пациента. В этих случаях в систе­ ме СИ удобно предусмотрено использование стандартизованных де­ сятичных кратных и дольных единиц измерения. Для величин мас­ сы, расстояний и т.п. кратные единицы и их наименования хорошо известны любому человеку (метр­километр;

метр­миллиметр;

ки­ лограмм­грамм и т.д.). Этот принцип распространяется на любые единицы измерений и поясняется в таблице 4. Согласно этому прин­ ципу все величины можно «дробить» или «умножать» на степень числа, кратную 10. Каждая получаемая в результате такой операции «дольная» или «кратная» единица имеет свое название, образуемое добавлением соответствующей смысловой приставки к обозначе­ Таблица Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования Приставка Множитель Множитель Множитель обозначение наименование наименование русское международное 10 тера Т Т 10 гига Г G 10 мега М M 10 кило к k 10 (гекто)* г h 10 (дека) да da ­ d 10 (деци) д ­ 10 (санти) с с ­ 10 милли м m ­ 10 микро мк ­ 10 нано н n ­ 10 пико п p ­ 10 фемто f ф ­ 10 атто а а * в скобках указаны наименования приставок, которые допускается использовать лишь для широко распространенных кратных и дольных единиц (сантиметр, гектар, де­ калитр и др.).

2. Международная система единиц измерения физических величин (СИ) нию основной единицы измерения той или иной физической вели­. 3 чины. Так, 1 км равен 1000 м, т.е. 1 км = 1000 м = 1 10 м = 10 м.

К слову «метр» добавляется приставка кило­, обозначающая множитель 10. Если измеряемая величина, наоборот, меньше основ­ ной единицы измерения, степень числа будет отрицательной. Ма­ ленький ток, например в 0,000005 А, можно представить как ток. ­ в микроамперах: 0,000005 А = 5 10 А = 5 мкА. Здесь использована ­ уже приставка микро­, обозначающая множитель 10, и т.д.

Иногда, правда, в отдельных разделах естествознания сохраня­ ются еще для ряда физических величин и внесистемные единицы измерения или единицы измерения, заимствованные из других сис­ тем. Часто это происходит по причине профессионального сленга, часто некоторыми другими единицами измерения просто пользо­ ваться привычнее и удобнее. В большей степени это относится к единицам измерения давления и температуры (особенно в медици­ не), а также энергии и теплоты.

Давление по традиции измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.) в медицине и в атмосферах в физике и технике (физичес­ кая и техническая атмосфера). Ниже приведены переводные коэф­ фициенты для этих единиц измерения:

­ 1 мм рт.ст. = 133,322 Па (Н/м );

2. ­ 1 атмосфера техническая (1 ат = 1 кГ/см ) = 9,80665 10 Па (Н/м );

. ­ 1 атмосфера физическая (1 атм) = 760 мм рт.ст = 1,01325 10 Па (Н/м ).

Температура в быту и медицине чаще измеряется в градусах по шкале Цельсия, нежели чем в градусах по шкале Кельвина. 0 С = 273,15 К.

Единицей измерения количества теплоты может служить кало­ рия. Поскольку, фактически, количество теплоты является энерги­ ей, калория (международная) переводится в единицы измерения энергии (джоули) следующим образом:

1 кал = 4,1868 Дж.

Если речь заходит об очень маленьких уровнях энергии, соизме­ римых с уровнями отдельных квантов света или энергиями связей атомов в молекуле, в качестве единиц измерения энергии часто вы­ ступает внесистемная единица энергии электрон­вольт (эВ):

. ­ 1 эВ = 1,602 1 10 Дж.

Энергия кванта красного света от Не­Nе­лазера будет тогда рав­ на порядка 2 эВ, что намного легче запомнить, чем какое­то число в минус 19­й степени.

Более подробную информацию о переводе различных величин из одной системы единиц в другую можно найти в любом справочнике по физике.

Приложение 3. Некоторые основные физические (мировые) константы. ­ Заряд электрона е = 1,6022 10 Кл. ­ Масса покоя электрона m = 9,1096 10 кг e. ­ Масса покоя протона m = 1,6726 10 кг p. ­23. ­ Постоянная Больцмана k = 1,3806 10 Дж (К). ­ 3.

Постоянная Вина b = 2,8978 10 м К. ­ 11. 2. ­ Постоянная гравитационная G = 6,6732 10 Н м кг. ­ Постоянная магнитная = 4 10 Гн/м. ­ 34.

Постоянная Планка h = 6,6262 10 Дж с. ­ 8. ­ 2. ­ Постоянная Стефана­Больцмана = 5,6696 10 Вт м (К) ­ Постоянная электрическая = 8,841910 Ф/м. ­ Радиус электрона классический r = 2,8179 10 м e. Скорость света в вакууме с = 2,9979 10 м/с. ­ Ускорение свободного падения стандартное g = 9,8067 м с ­ Число Авогадро N = 6,0222 моль A Рекомендуемая литература Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия: Учебник. 3-е изд., перераб. - М., СПб, СЛП, 1998. - 480 с.

Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. Изд. 4-е. - М.: Наука, 1973. -403 с.

Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Изд. 3-е. — М.: Высшая школа, 1995. - 463 с.

Кудрявцев П.С. Курс истории физики / 2-е изд. - М.: Просвещение, 1982. - 448 с.

Купер Л. Физика для всех. В 2 тт. - М.: Мир, 1973.

Москвин СВ. Лазерная терапия как современный этап развития ге­ лиотерапии (исторический аспект) // Лазерная медицина. — 1997. - Т. 1. - Вып. 1. - С. 44-49.

Петренко Ю. Нужна ли физика врачу? // Наука и жизнь. - 2003. №5. - С. 32-35.

Роджерс Э. Физика для любознательных. В 3 тт. — М.: Мир, 1973.

Спасский Б.И. История физики. В 2 тт. - М.: Издательство МГУ, 1963.

Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений.

В 2 тт. / Пер. с англ. - М.: Наука, 1987.

Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М.Прохоро­ ва. - М.: Советская энциклопедия, 1984. — 944 с.

Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Физ.-мат. литература, 1974. - 942 с.

Алфавитный указатель Анионы — Кирхгофа Анод — Кулона 27, 29, 42, 68, Гармоники — Ньютона — амплитуда — Ома 38, 40, 62, — фаза — Снеллиуса 77, — частота — Стефана—Больцмана Глубина — электролиза Фарадея — модуляции 61 Заряд — проникновения — отрицательный Гиперзвук — положительный Давление — точечный Децибелы — электрический Диамагнетики 48, — неподвижный Дисперсия света — движущийся Дифракция света — элементарный Диэлектрик 36, 40, Магнитный поток Диэлектрическая Магнитная восприимчивость проницаемость — вакуума 26, Меандр 55, — относительная среды 26, Момент механической силы Длина волны Мощность Закон — мгновенная 65, — Бугера — механическая — Бугера-Веера — полная — Вина (смещения) 91, — реактивная — Джоуля-Ленца — электрическая Алфавитный указатель Намагниченность Ток электрический Напряжение — знакопеременный Напряженность — знакопостоянный — магнитного поля — импульсный — электрического поля — конвекционный Оптика геометрическая 75, — модулированный — переменный Оптический диапазон — постоянный спектра — проводимости Освещенность 82, — смещения Отражение полное — утечки внутреннее Теплота Парамагнетики Ультразвук Период колебаний Уравнения Плотность мощности — Максвелла — звуковой волны — фотометрические — спектральная 92, 93 Фаза колебаний — электромагнитной волны Ферромагнетики 70 Фокус линзы Плотность тока 44 Фотометрия Показатель ослабления 88 Частота Поле — колебаний — действующих сил 11 — модуляции — консервативное 33 — несущая — магнитостатическое 69, 72 — томсоновская частота — сил тяготения 11 резонанса — электромагнитное 70 Шкала — электростатическое 33, 71 — абсцисс Поляризация — ординат — электромагнитной волны — электромагнитных волн 69, 70 Энергетическая экспозиция — электростатическая среды Электроемкость взаимная 31 Электролюминесценция 110 Алфавитный указатель Электромагнит 52 — нормальная Электромагнитная волна 69 — тангенциальная Электрострикция 31 Конденсатор Электрохимический Коэффициент эквивалент вещества 43 — отражения Элемент гальванический — поглощения Импеданс среды 20, — преломления Индуктивность — пропускания Индукция — экстинкции — магнитная 45, Магнитная проницаемость — электрическая 31 — вакуума — электромагнитная — среды относительная Интенсивность Постоянная Интерференция — Больцмана Инфразвук — Вина Источник — гравитационная — напряжения — магнитная — электродвижущей силы — Планка (Э.Д.С.) — Стефана—Больцмана Катионы 42 — электрическая Катод Потенциал 29, Квант света — разность Колебания Правило — амплитуда — буравчика (правого винта) — гармонические 18, 61 — звуковые — левой руки — механические Работа — период Рассеяние света — поперечные Резонанс 22, — продольные 18 Световод Колебательный контур 65, 66 Световой поток Компонента Сила Алфавитный указатель — Лоренца 49 Эффект — механическая 10 — Допплера — сторонняя 39 — Пельтье — тока 38 — фотоэлектрический — мгновенное значение — действующее значение — центральная — электродвижущая Силовая линия поля Сопротивление — активное — волновое — емкостное — индуктивное — комплексное — полное — реактивное — удельное проводника Спектр частот 22, Спектральный анализ Собственная частота колебаний Теорема Фурье Энергия — механическая — закон сохранения — излучения — кванта света 96, — кинетическая — покоя — потенциальная — теплового движения Дмитрий Алексеевич Рогаткин, Нонна Юрьевна Гилинская ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ДЛЯ ФИЗИОТЕРАПЕВТОВ Главный редактор: В.Ю.Кульбакин Ответственный редактор: Е.Г. Чернышева Редактор: М.Н. Ланцман Корректоры: Е.В. Мышева, Л.Ю. Шанина Компьютерный набор и верстка: Д.В. Давыдов, А.Ю. Кишканов Лицензия ИД №0 4 3 1 7 от 20. 04. 01 г.

Подписано в печать 15. 01. 07. Формат 84х 108/ 32.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 3, 5 п.л.

Гарнитура Таймс. Тираж 1000 экз. Заказ № 162.

Издательство «МЕДпресс-информ».

119048, Москва, Комсомольский пр-т, д.42, стр. Для корреспонденции: 105062, Москва, а/я E-mail: office@med-press.ru www.med-press.ru Отпечатано с готовых диапозитивов в филиале ГУПТО "ТОТ" Ржевская типография.

г. Ржев Тверской обл., ул. Урицкого, 91.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.